Вырожденность генетического кода проявляется в том, что в кодоне для аминокислот третий нуклеотид может варьировать, и один и тот же белок с неизменной аминокислотной последовательностью может кодироваться генами с разными нуклеотидными последовательностями. «Молчащие» синонимичные замены в генах, не меняющие последовательности кодируемых ими белков, влияют на структуру и стабильность мРНК и эффективность синтеза белка (трансляцию). Они оказались важным фактором адаптивной эволюции геномов различных организмов. Мутации в генах возникают неслучайным образом. Различная химическая природа четырех оснований в нуклеотидах (А, Г, С и Т) определяет их разную реакционную способность. Последовательность нуклеотидов в генах определяет структуру матричной ДНК в процессах репликации и репарации и влияет на частоту ошибок в ходе матричных синтезов. Хорошо известен мутационный потенциал прямых и инвертированных повторов в ДНК, который приводит к появлению дупликаций или делеций при репликации генома. Синонимичные замены нуклеотидов в генах влияют на стабильность вторичных структур в однонитевой ДНК, возникающих в ходе репликации, что может сказываться на мутационном процессе. В рецензируемой работе впервые продемонстрировано, что синонимичные замены в локальной области гена могут приводить к возникновению мутационных «горячих точек» или же к их исчезновению. Фиксация мутаций в горячих точках определяет направленность адаптационных процессов в организмах, которая проявляется в параллельной эволюции геномов.

В рецензируемой работе сравнивали адаптационные процессы в двух гомологичных вариантах бактерии Pseudomonas fluorescens, AR2 и Pf0-2x. В обоих вариантах нефункционален регулятор FleQ, контролирующий зависящую от ресничек подвижность клеток. Однако в ходе направленной селекции в минимальной среде оба варианта клеток быстро (в течение нескольких дней) приобретают способность к зависящей от ресничек подвижности в результате мутационного процесса, затрагивающего обмен азота в клетках. При этом два варианта клеток следуют совершенно различным мутационным траекториям. Клетки AR2 в подавляющем большинстве случаев (более 95%) получают точечную замену одного нуклеотида (A289C) в локусе ntrB (домен гистидинкиназы), тогда как клетки Pf0-2x приобретают подвижность благодаря различным мутациям генов факторов регуляции метаболизма азота. Избирательная замена одного нуклеотида A289 при адаптивных мутациях клеток AR2 выглядит загадочно. При этом, параллельная эволюция клонов клеток AR2, сопровождающаяся мутацией A289C в локусе ntrB, не является результатом клональной селекции и адаптационных преимуществ именно этой мутации перед другими мутациями, имеющими аналогичное фенотипическое проявление (приобретение подвижности). Таким образом, нуклеотид A289 в локусе ntrB ведет себя как «горячая точка» (hotspot) одноударного мутационного процесса. Остается непонятным, почему вариант Pf0-2x клеток P. fluorescens не следуют этой схеме мутагенеза, и в этих клетках сайт A289 не является «горячей точкой»? Сравнительный анализ первичной структуры локусов ntrB в клетках Pf0-2x и AR2 показал, что нуклеотид A289 в клетках Pf0-2x окружен шестью синонимичными заменами нуклеотидов (C276G, C279T, C285G, C291G, T294G и G300C), которые не меняют аминокислотную последовательность белка, но могут влиять на формирование вторичных структур в однонитевой ДНК при репликации и потенциально менять частоту репликативных ошибок в этом локусе. Авторы провели серию опытов для проверки роли этих синонимичных замен в мутационном процессе. Они сделали в клетках AR2 шесть синонимичных замен нуклеотидов в соответствии со структурой этого локуса в клетках Pf0-2x. Полученные клетки AR2-sm при культивировании, как и исходные AR2, приобретали подвижность, но частота мутации A289C снизилась с более 95% до 0% (Рис. 1). Таким образом, шесть синонимичных замен вблизи сайта A289 полностью элиминировали мутационную «горячую точку» в этом сайте!

В следующем опыте из клеток Pf0-2x была получена линия Pf0-2x-sm6, в которой произведено шесть синонимичных замен вблизи сайта A289 в соответствии с первичной структурой этого локуса в клетках AR2. Полученные клетки Pf0-2x-sm6 эволюционировали к подвижному фенотипу быстрее, чем исходные клетки Pf0-2x и в 80% случаев (8 из 10 независимых линий) демонстрировали появление мутации A289C (Рис. 2). Синонимичные замены вблизи A289 сформировали в этом сайте в клетках Pf0-2x-sm6 горячую точку мутаций, которой не было в исходных клетках Pf0-2x!

Проведенные опыты позволяют сделать важный вывод о том, что несколько синонимичных замен в локальной области гена могут создать мутационную «горячую точку» или элиминировать уже существующую «горячую точку». «Горячая точка» мутаций обеспечивает повторяющуюся параллельную эволюцию независимых клонов клеток и направленность адаптивного мутационного процесса. Участие «молчащих» синонимичных замен генов в эволюции организмов постулировано давно. Заслуга авторов рецензируемой статьи заключается в том, что они показали на конкретной биологических модели как синонимичные замены могут детерминировать направленность эволюционных процессов. Молекулярный механизм формирования мутационных «горячих точек» изучен плохо. Предполагается, их возникновение связано с особенностями первичной структуры ДНК, в частности с палиндромами (инвертированными нуклеотидными повторами), которые формируют двунитевые структуры типа «шпилек» при репликации и являются препятствиями для движения репликативной вилки. Хорошо известно, что ферменты синтеза РНК (РНК-полимеразы) и ДНК (ДНК-полимеразы) с трудом преодолевают двунитевые участки в матрице, «паузируют» на этих участках и чаще ошибаются. Специальные SSB белки (Single-Stranded DNA Binding proteins), специфически связывающие однонитевую ДНК, препятствуют формированию двунитевых структур в матричной ДНК и предназначены для нивелирования их мутационного потенциала. В связи с транзиторным характером двунитевых структур, формирующихся при расплетании дуплекса ДНК при репликации, и возможном наличии стабильных «шпилек» в ДНК-дуплексе, связанных c белками, отсутствуют удовлетворительные молекулярные модели формирования мутационных «горячих точек» при репликации генома. Рецензируемая работа, в которой реконструирована мутационная «горячая точка» в геноме бактерий может явиться эффективным стимулом для дальнейшего исследования направленной адаптивной эволюции организмов с участием «молчащих» синонимичных замен в генах.