Pantalla de 250.000 especies revela cambios en el código genético
ARRIBA: Moléculas de ARN de transferencia (ARNt) transportan aminoácidos a un ribosoma mientras decodifica una hebra de ARNm para producir una proteína. ISTOCK.COM, SELVANEGRA
El código genético que dicta cómo se traduce la información genética en proteínas específicas es menos rígido de lo que los científicos han asumido durante mucho tiempo, según una investigación publicada hoy (9 de noviembre) en eLife. En el artículo, los científicos informan que examinaron los genomas de más de 250 000 especies de bacterias y arqueas y encontraron cinco organismos que dependen de un código genético alternativo, lo que significa ramas en la historia evolutiva que no se han explicado por completo.
La genética El código se refiere a cómo las secuencias de bases de nucleótidos de ADN conducen a cadenas específicas de aminoácidos durante el proceso de síntesis de proteínas. Para realizar esta síntesis, los ribosomas leen hebras de ARNm copias de fragmentos del genoma del organismo en fragmentos de tres bases a la vez. Cada secuencia de tres bases, conocida como codón, se une a un ARN de transferencia específico (ARNt) que transporta un aminoácido correspondiente al ribosoma para agregarlo a la cadena de proteína. Un organismo con un código genético alternativo, como las cinco nuevas instancias que encontraron los autores del estudio, tiene codones que corresponden a diferentes aminoácidos de los que tendrían en el código genético estándar empleado por la gran mayoría de las formas de vida conocidas.
El código genético ha sido grabado en piedra durante 3 mil millones de años, dice a The Scientist la coautora del estudio Yekaterina Shulgina, estudiante de posgrado en biología de sistemas de la Universidad de Harvard. El hecho de que algunos organismos hayan encontrado una manera de cambiarlo es realmente fascinante para mí. Cambiar el código genético requiere cambiar moléculas antiguas e importantes como los ARNt que son tan fundamentales para el funcionamiento de la biología.
Como tal, se pensó que el código se conservaba en gran medida en todas las formas de vida, y los científicos encontraron ocasionalmente excepción durante las últimas décadas de investigación. Además de encontrar cinco nuevos códigos genéticos alternativos, el equipo también verificó otros siete que se habían descubierto uno por uno en el pasado, elevando el número total de excepciones conocidas en bacterias a 12.
Me complace para ver que todos los resultados que teníamos hasta ahora salieran en [el nuevo artículo], el bioquímico de la Universidad de Yale, Dieter Sll, que no trabajó en el estudio, le dice a The Scientist. Sll ha estado estudiando la evolución del código genético durante décadas y fue el primero en encontrar un código genético alternativo en las bacterias. La metodología del equipo fue muy buena, dice, especialmente porque ilustra que el código genético es extremadamente flexible.
Volver a encontrar todo lo que ya sabíamos y duplicar el número de reasignaciones conocidas fue particularmente impresionante. dice el profesor de evolución genómica del University College Dublin, Kenneth Wolfe, quien tampoco trabajó en el estudio. Lo que están buscando es realmente raro.
Shulgina y el coautor del estudio Sean Eddy, biólogo de Harvard e investigador del Instituto Médico Howard Hughes, desarrollaron un algoritmo llamado Codetta, llamado así por la piedra de Rosetta, que puede detectar el genoma de un organismo y predecir qué aminoácidos agregarán sus codones a una proteína determinada. El algoritmo examina rápidamente un genoma y lo compara con las proteínas de los organismos en una base de datos llamada Pfam. Si aparecen suficientes variaciones del código estándar de manera consistente, Codetta marca el organismo como potencialmente utilizando un aminoácido alternativo para un codón en particular. A partir de ahí, los investigadores pueden validar experimentalmente su trabajo buscando el ARNt predicho en el organismo.
Codetta sobresale en la búsqueda de códigos genéticos que son casi iguales al estándar. Por ejemplo, todas las reasignaciones recién descubiertas afectan a la arginina, que normalmente está codificada por los codones AGG, CGA y CGG. En algunos de los códigos genéticos alternativos recientemente descubiertos, estos codones se reasignan al aminoácido triptófano, que ya está asociado con el codón similar TGG.
Antes del nuevo estudio, todos los códigos genéticos alternativos conocidos en Las bacterias involucraron el cambio de un codón de terminación que le indica a la maquinaria celular que llegó al final de una proteína en una asociada con un aminoácido. Los nuevos resultados revelan los primeros códigos genéticos alternativos en bacterias que representan una reasignación de codones con sentido, es decir, cambiar un codón de un aminoácido a otro.
Es importante identificar estos códigos alternativos, dice Eddy, porque los científicos que predicen qué proteínas sintetizará un organismo basándose en su genoma lo hacen bajo el supuesto de que el código genético estándar está en juego. Entonces, tener en cuenta las desviaciones mejorará la precisión de esas predicciones y evitará que los errores se codifiquen en las bases de datos a medida que se secuencian más y más genomas.
Cambiar el código genético requiere cambiar moléculas antiguas e importantes como los ARNt que son tan fundamental para el funcionamiento de la biología. Yekaterina Shulgina, Universidad de Harvard
Pero estos cambios no deberían ocurrir en circunstancias normales, explica Eddy.
Si intentaste cambiar el significado de un codón, estás esencialmente introduciendo mutaciones simultáneas en todo el genoma, le dice Eddy a The Scientist. En cada lugar donde se usa ese codón, simplemente lo sustituyes por un aminoácido. Es alucinante que un organismo pueda sobrevivir a eso. Los cambios en los codones de parada son considerablemente menos dramáticos, agrega Eddy, porque cambiar un codón de parada a un codón de sentido no cambia realmente la función de una proteína, sino que simplemente extiende su cola.
Parte de la razón por la que ocurren cambios, Shulgina, es que algunos genomas bacterianos pueden tener una baja composición de ciertos nucleótidos en comparación con otros. Eso reduce el uso de codones que dependen de esos nucleótidos a casi cero, lo que facilita que un organismo sobreviva a los cambios sin alterar demasiadas proteínas de manera drástica.
Al menos en las bacterias, parece que este tipo de fuerzas podría explicar por qué el código genético evolucionó de esta manera, dice Shulgina. Esto podría ser totalmente diferente si miramos en otras formas de vida como los eucariotas. Se han encontrado excepciones al código genético estándar en eucariotas unicelulares como la levadura, pero los expertos esperan que los códigos alternativos sean raros en organismos eucariotas más complejos.
Rastrear por qué surgieron estos códigos genéticos alternativos durante la historia evolutiva es difícil, dicen varios investigadores a The Scientist, en gran parte porque los humanos no pudieron ver cómo sucedía. Pero los autores tienen algunas hipótesis.
En un caso, Shulgina identificó una bacteria que usa el mismo código alternativo que un virus bacteriófago que la infecta, lo que indica que la bacteria aparentemente desarrolló un código alternativo que impedía su transmisión celular. maquinaria de ser secuestrada y que el fago puede haber hecho la misma adaptación para seguir a su huésped.
Con ese fin, las bacterias y las arqueas representaron la prueba más fácil para Codetta. Shulgina, Eddy y otros investigadores dicen que están ansiosos por ver qué encuentra el algoritmo en la vida eucariota; Sin embargo, ejecutar una pantalla en un genoma eucariótico sería difícil debido a la cantidad de ruido que se agregaría a la señal. Los genomas eucariotas están llenos de pseudogenes no funcionales, explica Shulgina, que tendrían que filtrarse o contabilizarse en una actualización de Codetta para que no confundan el algoritmo.
El equipo también ejecutó Codetta en el genoma de levadura, un eucariota conocido por tener códigos genéticos alternativos, e hizo un nuevo descubrimiento que ayudó a validar sus predicciones para las bacterias. En un momento, el algoritmo no tenía la confianza suficiente para asignar un aminoácido a un codón en particular. Luego de una mayor investigación, resultó que la levadura usa el mismo codón para codificar dos aminoácidos diferentes.
Mi método no está diseñado para encontrar eso; fue construido para encontrar codificaciones diferentes, no codificaciones ambiguas, dice Shulgina. Codetta no quería elegir ningún aminoácido para ese codón, así que en cierto sentido falló de una manera muy correcta.
Eddy y Shulgina planean refinar el algoritmo y dicen que conocer estas limitaciones de antemano permitirá que otros investigadores tomen su trabajo y ejecuten sus propias pantallas genómicas. Con ese fin, Shulgina y Eddy han hecho que Codetta esté disponible en GitHub para cualquier investigador que desee utilizarlo o desarrollar su propia versión.
Como solo estamos arañando la superficie de la biodiversidad microbiana real, creo que Es muy probable que Codetta sea útil en el descubrimiento de reasignaciones de codones adicionales, le dice a The Scientist por correo electrónico el bioquímico de la Universidad de Cork, Pavel Baranov, quien no trabajó en el estudio. Estoy ansioso por probarlo yo mismo.
Aún así, las predicciones computacionales de Codetta deben validarse con espectroscopia de masas y otras herramientas, dice el biólogo de sistemas de la Universidad de Gttingen, Martin Kollmar, a The Scientist.
En particular, a Kollmar le hubiera gustado ver más instancias de verificación experimental, como verificar dos veces que las proteínas sintetizadas por códigos genéticos alternativos tuvieran la composición de aminoácidos esperada. Pero, agrega, es un trabajo arduo y está fuera del alcance de ese artículo.
Mientras tanto, todos los investigadores que hablaron con The Scientist dijeron que esperan que Codetta continúe encontrando nuevos excepciones a las reglas establecidas por el código genético.
Este estudio es un buen ejemplo de que casi nada se conserva universalmente [a lo largo de toda la vida], dice el biólogo de la Universidad de Vanderbilt Antonis Rokas, que no participó en el estudio. trabajar. La biología es solo, en cierto modo, la ciencia de las excepciones.