Лингвистика поможет понять «странности» в генетическом коде

Сравнив генетический код с языком, в котором роль букв выполняют нуклеотиды, лингвист ввел понятие «семиотического нуклеотида» — минимального элемента, с помощью которого можно различить кодоны — кодирующие единицы ДНК. Согласно этому принципу, биохимические характеристики ДНК выступают как информационные. Гибкость информационного подхода позволяет осветить явления, которые не объясняются биохимическими свойствами, и их принято считать отклонением от универсальных правил генетического кода. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Biosystems.

Генетический код двойственен: расположение нуклеотидов (элементов, из которых состоит ДНК) в молекуле несет не только биохимическую информацию, но имеет еще и семиотическое, то есть смысловое измерение. Семиотика — наука, изучающая общие закономерности передачи информации при помощи знаков. Исследователи находят аналогии между текстом и генетическим кодом, например, в том, что гены несут в себе программу развития организма, которая напоминает написанные по определенным правилам тексты. Семиотическая теория помогает рассмотреть нуклеотиды не как биологические макромолекулы, а как носители информации. Ключевые генетические процессы можно описать с точки зрения операций над текстом: чтения, транскрипции (записи произношения слова), трансляции (передачи звуков на дальние расстояния), пруфридинга (корректуры), эдитинга (редактирования).

Ученый из Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта и Института научной информации по общественным наукам РАН (Москва) Сурен Золян обратил внимание на то, что одни и те же нуклеотиды в ДНК в зависимости от их позиции имеют различную значимость в процессе считывания генетической информации. Так, когда в клетке синтезируются белки по «рецепту», записанному в генах, особые клеточные «машины» — рибосомы — считывают нуклеотиды по три, и для каждой такой «тройки», называемой кодоном, подбирают определенную аминокислоту. В 32 случаях из 64 возможных комбинаций нуклеотидов «А», «Т», «Г», «Ц» третья позиция может быть занята любым из них, и это не будет влиять на результат — получаемую аминокислоту. Это происходит потому, что одну и ту же аминокислоту может кодировать несколько разных «троек» нуклеотидов.

В результате, чтобы понять, какая аминокислота нужна, рибосома, считывая по отдельности каждую букву, ориентируется в первую очередь на «смысл» их сочетания в «тройке». Это явление называется вобблингом, или «эффектом качелей», из-за «колеблющейся» позиции последнего нуклеотида в кодоне. Чтобы описать его с точки зрения передачи информации, лингвист ввел термин «семиотический нуклеотид» — минимальный элемент, позволяющий отличить одну тройку нуклеотидов от другой в процессе обработки генетической информации. Из этого следует, что минимальными единицами генетического кода служат не сами нуклеотиды, а их различительные признаки. В зависимости от позиции в триплете они имеют различную значимость — максимальную во второй позиции и минимальную, вплоть до нулевой, в третьей. Нуклеотид в третьей позиции присутствует физически, но отсутствует семиотически (с точки зрения смысла). 

Каждый нуклеотид имеет два различительных признака: это число водородных связей (две или три) и карбоновых колец (одно или два). Эти признаки важны для связывания нуклеотидов друг с другом. Так, нуклеотидам, имеющим два кольца, соответствуют те, что имеют такое же число водородных связей, и наоборот. Однако для третьей позиции в кодоне эта закономерность может нарушаться.

В связи с этим, вместо того, чтобы сравнивать нуклеотиды с буквами, как это обычно делают, ученый предложил соотносить их с иным проявлением языка — звуками или, точнее, фонемами (это звуковой элемент, включающий только те признаки, которые необходимы для различения знаков). Буква же не является единицей языка, она служит всего лишь для обозначения звука на письме. Аналогия с фонемами позволяет объяснить, как два различительных признака нуклеотида влияют на то, какое значение он будет иметь в зависимости от положения в кодоне.

Сурен Золян, доктор филологических наук, профессор, ведущий научный сотрудник ОНК «Институт образования и гуманитарных наук» БФУ имени Иммануила Канта:

Использование семиотического подхода позволит определить, какую роль для различения кодонов играют отдельные нуклеотиды, и представить вобблинг («эффект качелей») как особый режим чтения. Будучи продуктом эволюции, генетический код в семиотическом отношении неоднороден — в половине кодонов (тридцати двух) третья позиция незначима, еще в тридцати — работает вполсилы, и лишь в одном она работает наравне с первыми двумя. Информационно-семиотический подход позволяет дополнить привычное описание генетического кода. В свое время Френсис Крик, говоря о связанных с третьей позицией отклонениях от закономерностей генетического кода, назвал их лишенными смысла. Однако с точки зрения семиотики становится понятным особое положение нуклеотида в третьей позиции, который в первую очередь отделяет один кодон от другого, и уже в своей вторичной функции служит для различения между кодонами.