И чем дальше, тем всё яснее становилось, что подобные «перекосы» (неравное распределение синонимичных кодонов) достаточно широко распространены в живой природе. Это явление получило название «предпочтения кодонов» (в английском варианте «codon usage bias»).
Интересно, что однотипное предпочтение именно определенных кодонов может быть характерно сразу для большинства генов конкретного биологического таксона. Получается как бы характерный «профиль» синонимичных предпочтений этого таксона в целом (см. например, Grantham et al., 1980). Что в свете представлений о случайной и независимой эволюции синонимичных замен (в разных генах) кажется весьма странным.
Очень интересно, что таким образом «перекашивать» может даже близкие биологические виды. Когда у одного вида (из конкретного биологического рода) наблюдается общий «перекос» (по большинству генов) в сторону одних синонимичных кодонов. А другой вид из этого же рода (!) предпочитает уже другие синонимичные кодоны.
Такой же феномен нередко наблюдается и на уровне биологического рода. Когда однотипный «профиль синонимичных предпочтений» имеется у близких видов одного рода, при этом отличаясь от предпочтения кодонов уже в «соседних» биологических родах (Grantham et al., 1980).
Например, в результате обширного исследования[38] было показано, что геномы 11 из 12 видов плодовых мушек рода Drosophila – ясно показывают однотипное предпочтение кодонов (заканчивающихся на G или C) по всем аминокислотам, за исключением серина. То есть, здесь четко наблюдаётся однотипное предпочтение кодонов в рамках биологического рода (Vicario et al., 2007). Но вот конкретно у плодовой мушки Drosophila willistoni почему-то наблюдается преобладание уже других кодонов, которые заканчиваются на Т или А вместо С (Vicario et al., 2007). То есть, этот пример демонстрирует отличия в предпочтении кодонов даже у разных биологических видов в рамках одного и того же рода. Почему это так, остаётся лишь гадать.[39]
Интересно, что такие генетические особенности организмов (разные предпочтения синонимичных кодонов в разных биологических группах) уже давно учитываются генетиками в их практической деятельности. В биотехнологических разработках, при внедрении чужого гена в новый организм, синтез белка с этого гена может оказаться не эффективным (или недостаточно эффективным). В том числе, из-за резкой разницы между «профилями синонимичных предпочтений» у модифицируемого организма и внедряемого гена. В таком случае приходится делать либо соответствующий редизайн нуклеотидной последовательности целевого гена, то есть, переделывать этот ген таким образом, чтобы его синонимичные предпочтения подошли к синонимичным предпочтениям «хозяина» (см. например, Gustafsson et al., 2004). Или наоборот, можно предложить генетическую модификацию соответствующих генов «хозяина», таким образом, чтобы уровень синтеза его транспортных РНК подошел бы к синонимичным предпочтениям внедряемого гена (см. например, Kane, 1995).
В связи с такими фактами (наблюдаемой неслучайности распределения синонимичных замен), была озвучена гипотеза, что эволюция организмов должна протекать в пользу тех синонимичных замен, которые могут обеспечить, например, более быстрый синтез белка. Вот поэтому мол, у многих организмов и наблюдается явный «перекос» в пользу определенных синонимичных замен. То есть, естественный отбор поддерживает такие случайные мутации, которые приводят к синонимичным заменам, ускоряющим синтез белков.[40] Однако другие случайные мутации и дрейф генов вмешиваются в ход этого отбора, снова и снова встраивая в гены организмов не-оптимальные синонимичные кодоны.[41] В результате мы и наблюдаем неравномерное распределение синонимичных кодонов у многих биологических видов – естественный отбор постепенно создаёт неравное распределение, а случайные мутации и дрейф генов пытаются всё это «сгладить» обратно.
Однако такую гипотезу можно упрекнуть в упрощении ситуации. Ведь далеко не всегда организму требуется именно быстрый синтез белка (в большом количестве). Допустим, какой-то синонимичный кодон является более «медленным», чем другой. Тогда, используя в разных случаях «быстрые» и «медленные» кодоны, мы получим, соответственно, более мощный или менее мощный синтез одного и того же белка (см. напр., Stenico et al., 1994). Но если этот белок является регуляторным (участвующим в развитии организма), тогда такие различия могут легко изменить развитие целого организма в ту или другую сторону. Даже самым радикальным образом.[42]
38
Сравнивалось 6698 гомологичных нуклеотидных последовательностей для каждого из 12 видов плодовых мушек рода
39
По этому поводу можно даже высказать робкое предположение о возможности существования уникальной «генетической подписи биологического таксона», которая выполнена именно таким способом.
40
Например, задействуя в синтезе белка (в результате синонимичной замены) такие транспортные РНК, которые являются более многочисленными в клетках конкретного биологического вида.
41
Такое, в принципе, возможно, поскольку подобная мутация может снизить общую приспособленность организма на столь малую величину, что