Объединенная группа исследователей из США и Тайваня проанализировала пластидные геномы двух паразитических растений из рода Balanophora и обнаружила уникальные следы миниатюризации. Утрата основной функции, — фотосинтеза — повлекла за собой радикальное уменьшение генома, в котором осталось всего 19 генов. Кроме того, в ДНК практически перестали использоваться гуанин и цитозин, а одному из классических стоп-кодонов нашлось альтернативное применение.

Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Для того, чтобы фотосинтезировать, растениям необходимы пластиды — симбиотические органеллы, живущие внутри растительных клеток.

Раньше они были свободноживущими бактериями, но более миллиарда лет назад они поселились внутри предков растений и с тех пор сильно упростились. Тем не менее, у них сохранилась внешняя клеточная мембрана и собственный, пусть и небольшой, геном. В среднем в нем около сотни генов, тогда как у свободноживущих бактерий их тысячи.

У паразитических растений, которые получают еду от других организмов и не утруждают себя фотосинтезом, пластидные геномы могут быть еще меньше. У одной из Раффлезий — рода, известного своими гигантскими цветами, — его пока не могут найти вовсе, а у ряда других паразитов количество пластидных генов можно сосчитать по пальцам. Фотосинтез, хоть и важнейшая, но не единственная функция пластид, поэтому они работают и у паразитов тоже, но как они ухитряются это делать не очень понятно. Часто пластиды переносят свои гены в ядерный геном и поручают заботы по производству нужных белков общеклеточной машинерии, но из-за разного устройства эти гены нужно сильно адаптировать прежде чем они начнут нормально работать.

Хоть пластидный и ядерный геномы живут в одной клетке, они приходятся друг другу очень дальними родственниками и используют разные «диалекты» генетического кода. В частности, пластиды могут использовать альтернативные слова-кодоны для обозначения стартов трансляции. Рибосомы — молекулярные машины для перевода генетического кода в белковый — тоже устроены у них немного иначе.

В своей работе Хуэй Цзюнь Су (Huei-Jiun Su) и ее коллеги решили посмотреть на то, как происходила миниатюризация пластидных геномов в двух облигатных паразитических растениях из рода Balanophora. Эти грибоподобные растения с крошечными цветками живут в юго-восточной Азии и паразитируют на корнях деревьев, никогда не занимаясь фотосинтезом. Секвенировав геномы, ученые обнаружили у них целый ряд уникальных свойств. У обоих видов они оказались исключительно маленькими и содержали всего 19 генов каждый. В них оказались закодированы одна транспортная РНК, четырнадцать генов для построения рибосомы и еще четыре белка неизвестного назначения. По-видимому, остальные гены успели переехать в ядерный геном.

Интересно, что транспортная РНК у одного из двух видов по идее не может нормально работать — у нее отсутствует правильный антикодон — участок, ответственный за распознавание кодона, а у другого вида он смещен относительно традиционного положения. Несмотря на это, Balanophora похоже находит этой РНК применение, потому что эта генетическая последовательность у нее наиболее консервативна между этими двумя видами чем все остальные 18 генов.

Ученые нашли и другие следы миниатюризации. Гены были расположены очень плотно и в пяти случаях даже перекрывались друг с другом, а их собственный размер оказался меньше, чем размер тех же генов у других растений. Последнее получилось за счет многочисленных делеций и утраты всех интронов за исключением одного.

Сам код ДНК оказался тоже довольно необычным и отличался от «диалекта» других бактерий и пластид. Частоты использования пар нуклеотидов могут разниться от вида к виду, но обычно доля гуанина (G) и парного к нему цитозина больше 20 процентов. В пластидах Balanophora это значение составляет 11–13 процентов, а для отдельных участков генома достигает рекордных двух процентов. Такой экстремальный перекос стал возможен благодаря избирательному использованию кодонов: одна и та же аминокислота может быть записана разными словами-кодонами, и выбирая те, в которых больше определенных букв-нуклеотидов, можно повлиять на их общие частоты использования. Кроме того, ученые обнаружили уникальное использование кодона TAG (тимин-аденин-гуанин). В классическом варианте это стоп кодон, который останавливает синтез белка. У Balanophora же он используется вместо кодона TGG, кодирующего аминокислоту триптофан.

Пример. Аминокислота глицин может быть записана в ДНК при помощи четырех вариантов кодонов: GGA, GGT, GGC и GGG. Избирательно используя кодоны GGA и GGT можно уменьшить общую встречаемость нуклеотидов G и C и наоборот так, что это не скажется на последовательности белка.

Геномы Balanophora оказались удивительным примером того, насколько далеко может зайти минимизация и к каким побочным результатам она приводит. Сравнительно недавно в лаборатории Крейг Вентер с коллегами создали синтетический организм, геном которого постарались свести к минимуму. Оказалось, что для того, чтобы поддерживать свою жизнь, ему потребовалось меньше пятиста генов.