Природа и происхождение генетического кода
Природа и происхождение значения кодонов универсального генетического кода имеют решающее значение для понимания того, как могла возникнуть трансляция. Эволюция кода остро интересовала исследователей еще до того, как код был полностью расшифрован, и уже самые ранние работы по этой теме отчетливо различали три (возможно, и не взаимоисключающие) эволюционных модели: (1) стерическая комплементарность, обеспечивающая специфическое взаимодействие между аминокислотами и соответствующими им кодонными или антикодонными триплетами нуклеотидов, (2) «застывшая случайность», то есть закрепление случайного кода, который стало практически невозможно существенно изменить позже, и (3) адаптивная эволюция кода, начавшаяся с первоначально случайного соответствия кодонов аминокислотам (Crick, 1968).
Структура кода явственно неслучайна: кодоны родственных аминокислот в основном смежны в кодовой таблице, что обусловливает высокую (хотя и не наивысшую возможную) устойчивость кода к мутациям и ошибкам трансляции, как впервые отметил Вёзе (Woese, 1967), а С. Фриленд и Л. Херст впоследствии показали количественно (Freeland and Hurst, 1998). Высокая надежность кода опровергает сценарий «застывшей случайности» в его крайней форме (случайная привязка кодонов к аминокислотам без последующей эволюции), однако и стереохимическая модель, и модель отбора, и их сочетание, и «застывшая случайность» с последующей адаптацией способны в принципе объяснить наблюдаемые свойства кода (Koonin and Novozhilov, 2009).
Положение осложняется тем, что неизвестно, существует ли стереохимическое соответствие между аминокислотами и соответствующими триплетами нуклеотидов (кодонами). Ответ на этот кажущийся простым вопрос оказывается на удивление трудноуловимым. Ранние попытки обнаружить избирательность взаимодействия (поли)аминокислот и полинуклеотидов были безрезультатны, что говорит о том, что если специфическое сродство и существует, то отнюдь не строгое, и взаимодействие, вероятно, слабо и зависимо от внешних факторов. Хотя и имеются некоторые сообщения о неслучайных взаимодействиях аминокислот с олигонуклеотидами, но в целом попытки продемонстрировать такое взаимодействие напрямую оказались неудачными (Saxinger and Ponnamperuma, 1974).
Интерес к стереохимической гипотезе возродился с появлением метода усиления отбора (SELEX) для выделения олигонуклеотидов (аптамеров), избирательно связывающихся с аминокислотами (Yarus et al., 2005, 2009). Для восьми аминокислот с большими боковыми цепями были выделены аптамеры, значительно обогащенные триплетами нуклеотидов, идентичными либо кодонам, либо антикодонам соответствующей аминокислоты. Результаты этих экспериментов, правда, несколько неубедительны, так как для одних аминокислот аптамеры содержат в основном кодоны, тогда как для других – в основном антикодоны. Рассматриваемые в совокупности, данные по сродству аптамеров к аминокислотам считаются серьезным аргументом в поддержку стереохимической гипотезы происхождения кода, однако реальная надежность и значимость этих результатов остаются под большим вопросом.
Наличие как кодонов, так и антикодонов в аптамерах для нескольких аминокислот затруднительно интерпретировать в терминах стереохимической комплементарности. Кроме того, аминокислоты, для аптамеров которых получены подробные данные, имеют сложные боковые цепи (которые, предположительно, необходимы для избирательного взаимодействия с аптамерами) и, вероятно, являются поздними добавлениями к генетическому коду (Trifonov, 2004). До тех пор, пока не будут получены аналогичные результаты для простых, предположительно древних аминокислот, эксперименты по отбору аптамеров затруднительно рассматривать как убедительный аргумент в пользу стереохимической гипотезы происхождения кода.
Итак, ключевой вопрос о том, играло ли роль в происхождении кода прямое взаимодействие между аминокислотами и специфическими нуклеотидными триплетами, все еще ждет ответа. В следующем разделе, при обсуждении происхождения трансляции, мы будем максимально объективны, рассматривая происхождение кода либо через избирательное взаимодействие между аминокислотами и соответствующими нуклеотидными триплетами, либо через случайное соответствие между аминокислотами и кодонами, то есть из «застывшей случайности».
Происхождение трансляции: ключевые идеи и модели[129]
За 40 лет, прошедших со времени открытия механизма трансляции и расшифровки генетического кода, были предложены многочисленные – неизбежно спекулятивные, иногда надуманные и часто весьма остроумные теоретические модели происхождения и эволюции различных компонентов трансляционной системы и разных аспектов процесса трансляции. Представить здесь тщательный критический анализ этих моделей нереально. Вместо этого мы рассмотрим несколько центральных идей, имеющих прямое отношение к происхождению трансляции, а затем обсудим несколько более подробно единственные два известных мне убедительных сценария.
Главное общее положение эволюции трансляции состоит в том, что отбор на синтез белков не мог быть основной движущей силой эволюции трансляционной системы. Чтобы эта сложная система эволюционировала дарвиновским путем, необходимы многочисленные шаги, а белки появляются лишь на последних из них; до этого момента организм «не знает», какие эволюционные преимущества может нести с собой использование белков. Как отмечалось в главе 9, существует много ситуаций, в которых эволюция как будто обладает возможностью некоего предвидения; эти случаи, однако, основаны фактически на экстраполяции, тогда как в случае трансляции нет еще ничего, из чего можно были бы экстраполировать.
Возникновение сложного механизма трансляции путем случайного дрейфа также не реалистично – во всяком случае, в рамках стандартных представлений эволюционной биологии (см. обсуждение в конце этой главы). Таким образом, единственный возможный путь для появления трансляции, по-видимому, экзаптация: промежуточные этапы эволюции трансляционной системы должны быть отобраны для иных функций, нежели синтез белка. Различные сценарии возникновения трансляции исходят из различных предположений о природе экзаптируемых функций.
Простая и потенциально плодотворная идея состоит в том, что в мире РНК аминокислоты и пептиды функционировали в качестве кофакторов рибозимов. Сатмари первым разработал гипотезу, основанную на этом предположении, и предложил, что «кодирующие коферментные олигонуклеотиды» (ККО; олигонуклеотиды-рибозимы с различными каталитическими активностями, использующие аминокислоты в качестве кофакторов) могли быть эволюционными предшественниками тРНК (Szathmary, 1993, 1999). Предполагается, что ККО собирались с участием содержащихся в них протоантикодонов на эволюционных предшественниках мРНК, однако детали этой стадии остаются неясными. Гипотеза ККО связывается с представлением о том, что тРНК возникла в ходе эволюции в результате двух последовательных дупликаций связывающих аминокислоты шпилек. Вариант гипотезы ККО, предложенный Р. Найтом и Л. Ландвебер, включает эволюцию аминоацилирующих рибозимов (возможность, хорошо подтверждаемая экспериментальными данными, см. табл. 12-1) и возникновение безматричного, опосредованного рибозимами синтеза пептидов в качестве промежуточного этапа эволюции трансляции (Knight and Landweber, 2000).
Майкл Ярус (Yarus, 1998) предложил модель прямого связывания РНК в качестве альтернативы ККО как сценария происхождения трансляции. Согласно этой модели, изначальной формой взаимодействия аминокислот и прото-тРНК было непосредственное связывание, предположительно через кодонные триплеты. Затем непосредственное связывание вытеснилось адапторным механизмом, вероятно, при участии аминоацилирующих рибозимов, как в варианте ККО Найта – Ландвебер.
Взяв за основу гипотезу ККО, мы с Юрием Вольфом разработали обобщенную, но детализированную модель возникновения трансляционной системы в мире РНК (Wolf and Koonin, 2007). Эта модель включает в себя как дарвиновский отбор, так и аспекты конструктивной нейтральной эволюции (см. гл. 8), наряду с экзаптацией и субфункционализацией.
Отправной точкой всех сценариев происхождения трансляции является реплицирующийся ансамбль эгоистичных кооператоров, состоящий из молекул РНК с различными рибозимными активностями и существующий в сети неорганических ячеек (см. дальнейшее обсуждение в следующем разделе). Эти рибозимы исполняют, в числе прочих функций, и функцию репликазы; вероятно, представлены и другие функции, такие, например, как синтез предшественников РНК. Наш эволюционный сценарий включает в себя следующие этапы (см. рис. 12-4).
1. Рибозим R является частью ансамбля эгоистичных кооператоров в ячейке. Этот рибозим достаточно сложен для катализа реакции (X → Y), скорость которой влияет на приспособленность ансамбля, и имеет определенное число позиций, способных к эволюции, так что возможна эволюция новых функций. Две или более абиогенных аминокислоты, присутствующие в ячейке, связываются с R. Избирательное связывание аминокислот обеспечивается активным центром, случайно присутствующим в R. Участие стереохимического протокода (кодон/антикодон) на данном этапе возможно, но не повлияет на ситуацию существенным образом. Присоединенные аминокислоты стимулирует реакцию X → Y, катализируемую R. In vitro были получены рибозимы, сильно стимулируемые пептидами что дает экспериментальное обоснование этому принципиальному шагу (Robertson et al., 2004). В контексте эгоистично-кооперативной эволюции (см. гл. 11) естественный отбор будет отбирать аминокислоты, стимулируемые R, приводя к постепенному совершенствованию пространственного выравнивания аминокислот на R и отбору последовательности и структуры оптимальных для связывания аминокислот.
