Гены «подработки» содержат антисмысловые ORF, которые кодируют потенциальные мембранные белки.

Том 13 научных докладов, номер статьи: 12591 (2023) Цитировать эту статью

372 Доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Гены, работающие по совместительству, кодируют отдельные полипептидные молекулы, которые выполняют множество и часто не связанных друг с другом функций. Эти гены встречаются во всех сферах жизни. Их повсеместное распространение и функциональное разнообразие поднимают множество вопросов относительно их происхождения, эволюции и роли в клеточном цикле. В этом исследовании мы представляем простой биоинформатический зонд, который позволяет нам ранжировать гены по потенциалу антисмысловой трансляции, и мы показываем, что этот зонд надежно обогащает подрабатывающие гены в различных организмах. Мы обнаружили, что гены, работающие по совместительству, содержат предполагаемые антисмысловые открытые рамки считывания (ORF), богатые кодонами неполярных аминокислот. Мы также обнаружили, что гены, работающие по совместительству, имеют тенденцию совпадать с генами, участвующими в производстве клеточной стенки, клеточной мембраны или клеточной оболочки. На основе этих и других результатов мы предлагаем модель, в которой мы предполагаем, что подрабатывающие генные продукты, вероятно, покидают клетку через разрывы в клеточной стенке и мембране, в местах строительства стенки/мембраны; и мы предполагаем, что антисмысловые ORF производят «липкие к мембране» белковые продукты, эффективно связывая ДНК подрабатывающего гена с клеточной мембраной в пористых областях, где идет интенсивное строительство клеточной стенки/клеточной мембраны. Это приводит к высокому потенциалу выхода поддельных белков на поверхность клетки. Обсуждаются эволюционные и другие последствия этих результатов.

Гены «подработки» — это гены, которые кодируют белки, имеющие множество различных и часто не связанных друг с другом функций1. Парадоксально, но эти белки часто располагаются в цитозоле, а также находятся на внешней стороне клетки. Насколько нам известно, для этих белков не идентифицировано никаких партнеров в системе секреции. За 30 лет с тех пор, как было обнаружено, что глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа (ГАФДГ) играет второстепенную роль на клеточной поверхности патогенных стрептококков2, было обнаружено множество других примеров подработки. К таким примерам относятся продукты генов с хорошо известной цитозольной ролью, которые каким-то образом оказываются на поверхности клетки или выделяются в культуральную среду. В базе данных MoonProt, созданной вручную, теперь перечислено более 300 таких генов, охватывающих организмы-хозяева, от бактерий до дрожжей, простейших, археонов, растений и млекопитающих. Многие фундаментальные вопросы остаются без ответа: как эти гены приобретают множество функций? Как они получают доступ к внешней части клетки в отсутствие партнеров по секреторной системе? Почему некоторые метаболические ферменты секретируются, а многие другие нет? И как получается, что одни и те же белки (например, GAPDH, енолаза, DnaK, GroEL, Ef-Tu, супероксиддисмутаза) выполняют подработку у разных хозяев? Поскольку одни и те же белки часто подрабатывают в разных типах, вполне вероятно, что это явление стало возможным благодаря процессам, которые являются фундаментальными для всей жизни. Следует отметить, что многие гены, участвующие в подработке, являются древними, высококонсервативными генами, что еще раз указывает на фундаментальные процессы, возможно, даже в некотором смысле первобытные. В настоящем исследовании мы стремимся провести нисходящее биоинформатическое исследование генов, работающих по совместительству, в котором мы ищем подсказки высокого уровня и пангеномные причины и следствия.

Ключевой характеристикой клеточной жизни является инкапсуляция: клетки имеют внутреннюю и внешнюю части, и их разделяют прочные структуры. Один из способов взглянуть на это состоит в том, что клетка воплощает в себе градиент энтропии с высокоэнтропийной водной средой в центре и низкоэнтропийной (то есть высокоструктурированной) оболочкой, охватывающей мембрану и структурные компоненты. периферия. Мембранные компоненты клетки в основном состоят из белков, содержащих неполярные аминокислоты; тогда как, напротив, водорастворимые белки (например, те, которые присутствуют в центре клетки) имеют на своей поверхности в основном полярные аминокислоты. Генетический код предлагает удобный (и универсальный) механизм для определения полярных и неполярных аминокислот: пурин во втором основании кодона практически гарантирует выбор полярной аминокислоты, тогда как пиримидин во втором основании имеет тенденцию гарантировать выбор полярной аминокислоты. неполярная аминокислота. Это предполагает наличие изначального генетического кода, который мог (по крайней мере, возможно) быть двоичным кодом, допускающим наличие как полярных, так и неполярных аминокислот, основанного на использовании пуринов или пиримидинов в кодонах. (Обсуждение этой возможности см. у Трифонова3). Будь то РНК или ДНК, первичный генетический материал мог быть одноцепочечным, и в этом случае транскрипция мРНК (если она имела место) могла происходить только в одном направлении, а именно, от 3' к 5'. Однако с появлением двухцепочечных нуклеиновых кислот транскрипция могла происходить в любом из двух направлений. Из-за комплементарности сообщение, которое кодирует полярные аминокислоты в одном направлении, естественным образом будет кодировать неполярные аминокислоты в другом направлении. Сценарий можно представить на заре появления двухцепочечного генетического материала, а именно за несколько дней до появления промоторов, репрессоров, последовательностей Шайна-Дальгарно или других специализированных структур последовательностей, таких как UTR/некодирующие области: в этот момент транскрипция может происходило в двух направлениях: водорастворимые белки вырабатывались в одном направлении, а белки, богатые гидрофобными аминокислотами, вырабатывались в другом направлении, ситуация, которая вполне естественным образом приводит к производству мембранных белков и инкапсуляции гидрофильных белков внутри мембран (т. е. клеточной жизни). . Работа по совместительству — это в значительной степени вопрос, затрагивающий «внутри и снаружи». Поэтому вполне естественно задаться вопросом, могут ли разгадки этого явления включать вопросы использования гидрофобных аминокислот и/или строительства клеточной стенки и клеточной мембраны. Мы учитываем этот и другие вопросы при разработке биоинформатических методов, предназначенных для обнаружения генов, работающих по совместительству.