Tracing the alternative nuclear genetic codes in non-model eukaryotes

• Název práce v češtině: Po stopách alternativního genetického kódu u nemodelových skupin eukaryot
• Název v anglickém jazyce: Tracing the alternative nuclear genetic codes in non-model eukaryotes
• Klíčová slova: genetic code aberration; ciliates; evolution; translation; genomics; bioinformatics
• Klíčová slova anglicky: aberace genetického kódu; nálevníci; evoluce; translace; genomika; bioinformatika
• Akademický rok vypsání: 2025/2026
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Katedra zoologie (31-170)
• Vedoucí / školitel: Mgr. Tomáš Pánek, Ph.D.

Seznam odborné literatury

Rotterová, J., Pánek, T., Salomaki, E. D., Kotyk, M., Táborský, P., Kolísko, M., & Čepička, I. (2024). Single cell transcriptomics reveals UAR codon reassignment in Palmarella salina (Metopida, Armophorea) and confirms Armophorida belongs to APM clade. Molecular Phylogenetics and Evolution, 191, 107991.
Pánek, T., Žihala, D., Sokol, M., Derelle, R., Klimeš, V., Hradilová, M., Zadrobílková, E., Susko, E., Roger, A., J., Čepička, I., Eliáš, M. (2017). Nuclear genetic codes with a different meaning of the UAG and the UAA codon. BMC Biology, 15, 1-18.
Pánek T., et al. An expanded phylogenomic analysis of Heterolobosea reveals the deep relationships, non-canonical genetic codes, and cryptic flagellate stages in the group. Accepted. Molecular Phylogenetics and Evolution.
McGowan, et al. (2023). Identification of a non-canonical ciliate nuclear genetic code where UAA and UAG code for different amino acids. PLoS Genetics, 19(10), e1010913.
Kachale, A. et al. (2023). Short tRNA anticodon stem and mutant eRF1 allow stop codon reassignment. Nature 613, 751–758.
Swart, E. C., Serra, V., Petroni, G., & Nowacki, M. (2016). Genetic codes with no dedicated stop codon: context-dependent translation termination. Cell, 166(3), 691-702.

Předběžná náplň práce

Z dosud neobjasněných příčin se nálevníci chovají jako evoluční "hot spot" pro vznik nejrůznějších alternativních jaderných genetických kódů. Všechny jejich aberace zahrnují změny ve významu stop kodónů. Nejčastější je přitom změna významu UAA a UAG (=UAR) kodónů. Ta u eukaryot vznikla nezávisle nejméně čtrnáctkrát, z toho polovina případů byla zaznamenána právě u nálevníků. V roce 2024 byl objeven alternativní jaderný kód (UAR kódující glutamin) u tropidoatraktida Palmarella salina. Tento druh patří do skupiny APM zahrnující tři třídy anaerobních nálevníků se standardními jadernými kódy. Z toho důvodu představují tropidoatraktidi vynikající modelovou skupinu pro studium evoluce nejčastější aberace jaderného genetického kódu. Společná změna významu UAG a UAA kodónů je pak v kontrastu se situací u skupiny Heterolobosea, kde uvnitř linie Selenaionida došlo ke změně významu pouze kodónu UAG.
Cílem této disertační práce je sledovat evoluci změny významu kodónu UAR u APM nálevníků a provést komparativní analýzu s vybranými eukaryotickými skupinami se změněným významem UAR a UAG kodónů. Tento výzkum má za cíl zjistit, zda změna významu UAR probíhá stejným mechanismem napříč nepříbuznými liniemi a jaká je posloupnost jednotlivých kroků vedoucích ke změně tohoto typu genetického kódu. Projekt kombinuje laboratorní experimenty (např. extrakci DNA, mRNA a tRNA) s pokročilými bioinformatickými technikami (včetně fylogenomiky a identifikace mutací v klíčových proteinech a tRNA v jednotlivých liniích).
Projekt je plně financován Grantovou agenturou České republiky (PI: Tomáš Pánek; 2025–2027) a bude realizován ve spolupráci s Laboratoří RNA biologie protistů (Dr. Zdeněk Paris, Biologické centrum AV ČR) a Laboratoří diverzity a evoluce anaerobních protistů (Prof. Ivan Čepička, Univerzita Karlova).

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

For reasons that are still unclear, ciliates serve as an evolutionary hotspot for the emergence of various nuclear genetic code aberrations. All these aberrations involve reassignments of stop codons, with the most frequent being the reassignment of the UAG and UAA (=UAR) codons. This reassignment has occurred independently at least 14 times in eukaryotes, with half of those instances occurring in ciliates. Last year, an alternative nuclear code (UAR encoding glutamine) was identified in Palmarella salina, a species of tropidoatractid ciliate. Tropidoatractids belong to the APM ciliates, a group consisting of three anaerobic ciliate classes that possess a standard nuclear genetic code. Hence, tropidoatractids provide an excellent model for studying the evolutionary transition from the standard genetic code to its most common aberration. The common reassignment of the UAG and UAA codons contrasts with the situation in the Heterolobosea group, where one lineage (Selenaionida), reassigned only the UAG codon.
The aim of this thesis is to trace the evolution of UAR codon reassignment in APM ciliates and to perform a comparative analysis with other eukaryotic groups with UAR or UAG reassignments. This will reveal whether UAR reassignment occurs via the same mechanism across eukaryotes and describe sequence of evolutionary events that are responsible for UAR reassignment. The project combines wet-lab experiments (such as DNA, mRNA, and tRNA extraction) with advanced bioinformatics (including phylogenomics and the identification of mutations in key proteins and tRNA in studied lineages).
The project is fully funded by the Czech Science Foundation (PI: Tomáš Pánek; 2025-2027) and will be conducted in collaboration with the Laboratory of RNA Biology of Protists (Dr. Zdeněk Paris, Biology Centre, CAS) and the Laboratory of Diversity and Evolution of Anaerobic Protists (Prof. Ivan Čepička, Charles University).