Природа и происхождение генетического кода

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.

Рис. 12-4. Концептуальный сценарий происхождения трансляционной системы посредством экзаптации и субфункционализации. Шаги модели, описанные в тексте, обозначены цифрами в скобках.

2. R приобретает дополнительную активность лигазы пептидной связи, формируя олигопептид P из соседних аминокислот, связанных с R. Отбором in vitro были получены рибозимы с высокой активностью пептидной лигазы, хотя и с низкой избирательностью. По-видимому, рибозимы этого класса способны синтезировать только короткие пептиды, состоящие из, самое большее, четырех или пяти аминокислот. Селекционным преимуществом этого новоприобретения будет повышение стабильности реактивного комплекса, приводящее к дальнейшему усилению реакции X → Y. Естественно задаться вопросом, откуда на этом шаге берется энергия, необходимая для формирования пептидной связи. В экспериментально описанных рибозимных пептидных лигазах один из субстратов является активированным производным (аминоацил-аденилат), так что используется энергия эфирной связи. Это напоминает современную трансляцию, в которой АРСазы используют аминоацил-аденилаты для аминоацилирования специфической тРНК, а высокоэнергетичная эфирная связь аминоацил-тРНК используется для транспептидации. Гипотетические древнейшие пептид-лигазы, возможно, действовали таким же образом, используя аминоацил-аденилаты или другие активированные производные аминокислот, произведенные другими рибозимами. И действительно, были получены рибозимы, катализирующие каждую из этих реакций, от аденилирования аминокислот до синтеза пептидов (см. табл. 12-1). Эти рибозимы, несомненно, зависят от энергии фосфодиэфирной связи в АТФ или иной формы энергии.

3. Спонтанная диссоциация или распад R высвобождает пептид P обратно в ячейку. Если P обладает неспецифической способностью стимулировать и (или) стабилизировать рибозимы, он может быть захвачен другим рибозимом E, катализирующим другую реакцию (U → V). Интересным примером мог бы быть пептид, содержащий пару отрицательно заряженных аминокислот и образующий комплекс с двухвалентным катионом, аналогично разнообразным, неродственным современным ферментам метаболизма нуклеиновых кислот (полимеразы, нуклеазы, лигазы, топоизомеразы, и др.). Если P повышает каталитическую активность E, он снова увеличивает приспособленность всего ансамбля.

4. В то время как активность E по-прежнему зависит от наличия P, копия R (R L) может потерять исходную функцию катализа X → Y при сопутствующем усилении функции аминокислотной лигазы, в то время как другая копия (R 0) сохраняет исходную функцию, все еще усиливаемую пептидом Р. Заметим, что это типичная субфункционализация, основной путь эволюции дуплицированных генов в современных геномах (см. гл. 8). Субфункционализация, возможно, была важна уже в мире РНК, когда выгода усиленного катализа R 0 и Е перевешивала увеличение затрат на репликацию.

5. Повсеместный катализ при помощи пептидов в разделенной на ячейки добиологической системе делает аминокислоты ценным ресурсом для эволюционирующих эгоистичных кооперативов. Учитывая, что аминокислоты являются небольшими полярными молекулами, способными диффундировать сквозь стенки ячеек, накопление аминокислот в ячейке должно было быть полезным. Таким образом, связывающие аминокислоты малые РНК (T) развиваются под эволюционным давлением в сторону накопления аминокислот; эти молекулы могут рассматриваться как аналоги связывающих аминокислоты аптамеров (см. предыдущий раздел). Первоначально РНК T связывают аминокислоты неспецифически. Затем постепенно эволюционирует автокаталитическое аминоацилирование 3’-конца РНК T, что приводит к увеличению сродства к аминокислотам и избирательности в их связывании. Как и в случае пептид-лигазы на шаге 2, этой реакции необходим источник энергии; в этом качестве выступают активированные производные аминокислот, такие как аминоацил-аденилаты.

6. Различные виды РНК T, избирательно связывающие разные аминокислоты, эволюционируют путем дупликации и диверсификации, с сохранением вариантов под давлением отбора в сторону эффективного накопления широкого арсенала аминокислот. Детали связывания аминокислот РНК T будут разниться в зависимости от того, принимается ли гипотеза избирательного распознавания аминокислот специфическими (анти)кодонами. Если такого избирательного распознавания нет, то рассматривается сценарий «застывшей случайности», при котором сайт связывания в РНК T не имеет сродства к кодону или антикодону, а последовательность экспонированной петли (предтечи антикодонной петли) случайна. Независимо от конкретной модели (даже если принимается застывшая случайность), данный шаг, устанавливающий соответствие между аминокислотами и тринуклеотидами, является критически важным для становления генетического кода.

7. Рибозим R L развивает способность связывать комплексы аминоацил – РНК T, а не отдельные аминокислоты, что приводит к большей стабильности и пространственной точности связи. Главная биохимическая активность R L смещается от лигирования аминокислот к транспептидации (передача растущего пептида от одного вида РНК T к другому), что приводит, благодаря высокой энергии связи аминоацил-РНК, к увеличению выхода пептидов. Примечательно, что 50S субъединица бактериальной рибосомы, в качестве предка которой предполагается рибозим R L, может катализировать реакцию транспептидации со скоростью, сравнимой со скоростью полной рибосомы (Wohlgemuth et al., 2006).

8. Эволюционирует вспомогательная субъединица РНК R S под давлением отбора в сторону повышения эффективности связи и точности расположения комплекса аминоацил- T на R L. Механизм распознавания РНК T переходит от слабоизбирательного взаимодействия между РНК T и R L к избирательному спариванию оснований между протоантикодонной петлей T и РНК R S. Этот шаг является решающим в возникновении полноценной трансляции, механизма, основанного на адаптерах (прото-тРНК, РНК T в этой модели), сопрягающих аминокислоты с соответствующими им кодонами.

9. Поскольку происхождение тРНК всех специфичностей от единого предка очевидно, эволюционный путь от набора примитивных РНК T к современным тРНК требует специального объяснения. На описанных выше ранних этапах эволюции системы трансляции различные виды РНК T могли эволюционировать почти параллельными конвергентными путями. Тем не менее общее происхождение тРНК подразумевает последующее «бутылочное горлышко», через которое прошел только один победитель, молекула в форме «L» с акцепторным триплетом C–C-A на 3’-конце. Давление отбора при этом эволюционном «захвате» могло происходить в сторону пространственной комплементарности и усиленного взаимодействия между аминоацилированной РНК T и пептидил-трансферазой R L. Такой отбор изначально действовал на единственную РНК T, возможно имевшую сродство к наиболее распространенной аминокислоте. Впоследствии остальные тРНК должны были эволюционировать путем дупликации и специализации.

10. Следующим шагом в эволюции системы трансляции могло быть физическое отделение матричной цепи M от R S, в результате чего произошло дальнейшее разделение функций кодирования и катализа. В этот момент нить M освобождается от эволюционных ограничений, связанных с функциями катализа и связывания в первичной трансляции, поскольку эти функции перешли на физически различные молекулы РНК R L и R S и прото-тРНК. Единственным требованием к M остается ее способность принимать растянутую конформацию для размещения спаренных оснований кодона и антикодона при связывании аминоацил- T РНК. Эволюционные преимущества такого разделения очевидны: промежуточный ассоциат R S R L (который, на данный момент, можно обоснованно назвать проторибосомой) в присутствии в ячейке различных олиго– и полинуклеотидов обеспечит синтез все большего разнообразия пептидов, расширяя, таким образом, каталитические возможности ансамбля. Кроме того, этот шаг позволяет отбору действовать в сторону увеличения потенциала репликации (в частности, появления высокоспецифичных сайтов узнавания репликазы) тех видов M, которые кодируют полезные пептиды, приводя к повышению концентрации этих видов РНК в ячейке. По сути дела, в эгоистичном кооперативе запускается разновидность цикла Дарвина – Эйгена.

11. Освобождение (прото)тРНК из R S R L при транспептидации вызывает трехнуклеотидный сдвиг, характерное движение современной рибосомы, позволяющее синтезировать длинные пептиды, или, фактически, первые белки. Это и есть белковый прорыв.

В соответствии с таким эволюционным сценарием путь от белкового прорыва к трансляционной системе современного типа есть по большей части история принятия на себя белками функции первичных рибозимов. Каталитические возможности и способности к связыванию у белков несравненно выше, нежели у РНК и пептидов, и в процессе эволюции они постепенно, но необратимо вытеснили в этом качестве первичные рибозимы.

Теперь нам предстоит рассмотреть существенно иную эволюционную модель, первоначально обрисованную Анатолием Альтштейном (Altstein, 1987), а затем независимо и более полно разработаную Энтони Пулом и соавторами (Poole et al., 1998). В этой модели рибосомы и механизм трансляции производятся от древнего рибозима-репликазы. В модели постулируется, что проторибосома изначально функционировала как «трипликаза», сложный рибозим, объединяющий функции РНК-полимеразы и РНК-лигазы и синтезировавший молекулы РНК, комплементарные матрице, тринуклеотидными шагами. Эта «трипликазная» проторибосома способствует сборке тРНК-подобных молекул (аналогично РНК T в предыдущей модели) на матрице РНК путем спаривания оснований (прото)антикодонов с комплементарными триплетами (кодонами) матрицы, отщепления остальной пре-тРНК и соединения (лигирования) соседних триплетов. Пул с соавторами считают правдоподобным механизм репликации на основе комплементарного взаимодействия тринуклеотидов (в противоположность мононуклеотидам) с матрицей, поскольку каталитическая эффективность рибозимов мала. Комплекс РНК-матрицы с комплементарным тринуклеотидом будет сохраняться намного дольше, чем комплекс с мононуклеотидом, оставляя трипликазе больше возможностей лигировать соседние триплеты. Механизм трипликазы кажется особенно правдоподобным в свете опытов Фредерика и Ноллера, показавших, что мРНК пропускается через рибосому трехнуклеотидными шагами, с согласованным движением тРНК, но без участия трансляционных факторов (Frederick and Noller, 2002).

Переход от трипликазы к современному типу трансляционно-репликационной системы требует нескольких сложных этапов, а именно появления генетического кода (в данном случае на уровне аминокислотной избирательности прото-тРНК) и обратной связи между трансляцией и репликацией РНК (происхождение белковых РНК-полимераз или белковых кофакторов рибозима-полимеразы). Кроме того, необходима субфункционализационная стадия, на которой трипликаза порождает отдельные проторибосомы и репликазы, а последняя переходит от лигирования триплетов к обычному механизму репликации с присоединением нуклеотидов по одному.