Сотрудники Сколтеха вместе с коллегами проанализировали более 30 тысяч вариантов генетических последовательностей, которые кодируют два флуоресцентных белка, чтобы выяснить, какие характеристики мРНК и первого десятка кодонов в ней могут повышать эффективность процесса трансляции. Также авторы исследования, опубликованного в журнале Nucleic Acids Research, установили, что редкие кодоны в начале последовательности не увеличивают эффективность трансляции, как считалось ранее.

Трансляция — это процесс, в ходе которого на основе матричной РНК рибосома строит цепочку аминокислот, затем превращающуюся в белок. Каждая аминокислота кодируется кодоном — тремя нуклеотидами в последовательности мРНК. Всего возможен 61 кодон, но количество кислот, которые они кодируют, — только 20. Это значит, что некоторые кодоны кодируют одну и ту же аминокислоту.

До сих пор исследователи до конца не уверены в том, что влияет на эффективность работы клеточного «белкового завода». Например, есть свидетельства того, что некоторые вторичные структуры мРНК — ее пространственные конформации — могут мешать рибосоме связываться с ней и выполнять свою работу. Другой возможный фактор — синонимичные кодоны. Более ранние исследования показали, что, возможно, статистически более редко используемые кодоны могут увеличивать эффективность трансляции, если они находятся в начале открытой рамки считывания. Эти кодоны замедляют движение рибосомы по мРНК в ее начале так, что дальше не возникают «очереди» из рибосом.

Изучение эффективности трансляции поможет лучше понять экспрессию генов и повысить эффективность работы биотехнологических бактерий — «рабочих лошадок», которые производят нужные белки. Поэтому российские ученые вместе с коллегами решили провести своеобразное соревнование: они протестировали более 30 тысяч вариантов мРНК, которая кодирует одни и те же белки. Авторы намеревались понять, какие варианты дадут более эффективную трансляцию. Исследователей интересовали кодоны с номерами от 2 до 11.

В качестве модельного организма биологи использовали кишечную палочку Escherichia coli и плазмиды — кольцевые ДНК, кодирующие двойной флуоресцентный репортер. Затем ученые вставляли случайные последовательности из 30 нуклеотидов сразу после стартового кодона так, чтобы в мРНК они стали кодонами со второго по одиннадцатый. Вырастив бактерии и отсортировав их по эффективности производства CER и RFP, ученые использовали метод flowseq, чтобы понять, какие последовательности обеспечили более эффективное производство белка.

Flowseq представляет собой сочетание проточной цитометрии (техники, при которой физические и химические характеристики клеток измеряются через рассеивание луча лазера) и секвенирования разделенных фракций. Этот метод позволяет оценивать эффективность синтеза белка для тысячи вариантов за один раз.

Авторы показали, что вторичная структура мРНК действительно может препятствовать трансляции, однако им не удалось показать положительного влияния редких кодонов в начале кодирующей белок последовательности. Однако ученые обнаружили, что дополнительные стартовые кодоны способствуют эффективной трансляции, а дополнительные последовательности Шайна — Дальгарно, которые «призывают» рибосому к мРНК, напротив, препятствуют ей. Результаты работы исследователей помогут разрабатывать более эффективные искусственные генные конструкты, которые можно использовать для превращения обычных бактерий вроде E. coli в мощные биотехнологические инструменты.