Происхождение трансляционных процессов и генетического кода

Итак, в начале архейского периода Земля была покрыта плотной углекислотной атмосферой, геотермальные источники выносили на поверхность сульфиды цинка и марганца, на поверхности которых шли фотохимические реакции восстановления CO2, синтеза органики и полимеризации различных мономеров. Из этой системы под действием ультрафиолета отобрались длинные РНК-подобные молекулы, образующие за счет Уотсон-Криковских комплементарных пар двуспиральные участки. Они катализировали некоторые химические реакции, в том числе ведущие к синтезу нуклеотидов и полимеризации собственных копий. Такие рибозимы вытесняли остальные и оказались в состоянии конкуренции за мономеры. Так выглядел «мир РНК» на заре появления белкового синтеза.

Система синтеза белка в современных клетках состоит из рибосом (каждая из 3 молекул РНК общей длиной до 5000 нуклеотидов), набора примерно из 40 транспортных РНК, ферментов аминоацил-тРНК-синтаз, факторов элонгации и терминации и других вспомогательных белков. Неизвестны более простые варианты этой системы, способные проводить синтез белка, хотя бы с меньшей точностью и скоростью, поэтому сторонники intelligent design считают белковый синтез одним из примеров системы, адаптивной только в полном виде, а ее развитие шаг за шагом — невозможным. Но ученые все же нашли несколько возможностей для работы простой системы белкового синтеза в РНК-мире.

Изучение структуры рибосомных РНК показало, что она строилась постепенно путем добавления новых доменов. Это следует из распределения одного из типов связей — водородные связи между несколькими последовательными аденинами в одноцепочечном участке и гидроксилами рибозы в двухцепочечном участке. Такая связь нужна для устойчивости одноцепочечного участка, но не важна для двухцепочечного, поэтому она могла возникнуть только если одноцепочечный участок аденинов добавился после двухспирального фрагмента.

На пятом домене находится пептидил-транферазный центр рибосомы. Он осуществляет присоединение новых аминокислот к растущему пептиду. Однако, пятый домен не принимает никакого участия в связывании матричной РНК и никак не может контролировать последовательность пептида. Получается, что древняя рибосома, скорее всего, синтезировала пептиды случайного состава без помощи мРНК. Мог ли такой примитивный белковый синтез как-то улучшать выживание рибозимов?

В поисках возможной функции белков, не зависящей от последовательности, исследователи обратили внимание на механизм связывания многих белков с РНК: там образуются водородные связи между альфа-спиралью и 2' гидроксилами рибозы, торчащими в малый желобок двуспиральной РНК. Со стороны белка связь образуют карбонильные группы пептидной цепи, а боковые цепи аминокислот не участвуют. Альфа-спираль в малом желобке закрывает 2' гидроксильные группы, что защищает РНК от многих неприятностей. С атаки на эти группы начинается гидролиз РНК щелочами, ионами металлов и ферментами-РНКазами, и пептид случайной последовательности или гомополимер одной аминокислоты уже обеспечивает заметную защиту. В мире РНК с появлением эффективно самокопирующихся рибозимов нуклеотиды оказались дефицитным ресурсом, и некоторые рибозимы стали получать их, гидролизуя соседей. В таких условиях защитный пептид мог обеспечить большое приемущество, и, что более важно, спровоцировать «гонку вооружений». «Хищные» рибозимы стали приобретать пептидазную активность, «жертвы» отвечали на это изменением и усложнением состава аминокислот в защитных пептидах. На этом пути добавление любой новой аминокислоты в арсенал пептидного синтеза было подхвачено отбором. Так же адаптивным, видимо, был переход от простого регулярного чередования нескольких аминокислот к сложным последовательностям пептидов, для чего пригодился матричный синтез — так появились мРНК, тРНК и генетический код.

О поздних этапах развития трансляции нам может рассказать таблица генетического кода.

Существуют три основных идеи происхождения связи между аминокислотами и нуклеотидными триплетами. Это «застывшая случайность», оптимизация на минимум ошибок белкового синтеза и соответствие путей биосинтеза аминокислот кодонам либо антикодонам.

Теория «застывшей случайности» заявляет, что соответствие аминокислот и кодонов установилось случайно, а потом таким и осталось, потому что любое изменение нарушит структуру сразу многих белков и приведет к гибели клетки. Очевидно, это почти ничего не объясняет.

Теория оптимизации утверждает, что генетический код устроен так, чтобы при самых частых ошибках трансляции аминокислоты заменялись на химически похожие. Ошибки трансляции происходят при неточном соответствии кодона мРНК антикодону тРНК и следуют своим закономерностям: ошибка в третьем нуклеотиде вероятнее, чем в первых двух; перепутать A с G или U с C проще, чем пурины с пиримидинами. Как видно из таблицы генетического кода, многие аминокислоты кодируются четырьмя кодонами — последний нуклеотид часто неважен вовсе. Подсчитано, что базовый генетический код по оптимальности в 1/1000 долю лучших из возможных, но он не самый лучший. Например, если стоп-кодон UGA станет кодировать триптофан, помехоустойчивость кода возрастет. Эта теория объясняет многие особенности генетического кода, но не все.

Теория соответствия кодонов и путей синтеза утверждает, что биосинтез аминокислот когда-то катализировался молекулами РНК, причем для разных аминокислот — своими, и части их последовательности стали кодонами либо антикодонами. Пути биосинтеза аминокислот действительно коррелируют с кодонами. Например, три аминокислоты, синтезируемые в одну стадию из альфа-кетокислот — аланин, аспартат и глутамат — все имеют кодоны, начинающиеся с G. В одной из лучше разработанных версий теории это объясняется так: синтез аминокислот происходил после присоединения предшественника к 2' гидроксилу рибозы олигонуклеотида, первые три нуклеотида которого дали начало кодону. В этом случае аминогруппа гуанина оказывается на подходящем расстоянии, чтобы катализировать (через стадию основания Шиффа) восстановительное аминирование альфа-кетокислот.

Синтез других аминокислот проходит во много стадий и начинался с фосфорилирования будущей боковой цепи. Так, аминокислоты, происходящие из оксалоацетата — аспарагин, треонин, изолейцин — имеют кодоны на А, происходящие из альфа-кетоглутарата — аргинин, пролин, глутамин — на С, из пирувата — цистеин, серин, лейцин — на U. Фосфорилирование катализируется аминогруппами этих нуклеотидов, причем расстояние от 2' гидроксила до аминогрупп разных нуклеотидов как раз соответствует трем разным кислотам-предшественниками.

Дальше, по этой теории, в игру вступает второй нуклеотид. Например, в случае альфа-кетоглутарата второй нуклеотид А своей аминогруппой катализирует амидирование концевой карбоксильной группы и аминирование кетогруппы, давая начало глутамину. В случае C или G во второй позиции сначала происходит (при помощи некоего дополнительного катализатора) восстановление концевой группы до альдегидной, дальше С аминирует альфа-кетогруппу, продукт циклизуется, и двойная связь восстанавливается — получается пролин. G может восстановительно аминировать концевую альдегидную группу с образованием орнитина. Эта аминокислота предшествует аргинину в современном биосинтезе и могла ранее входить в состав белков. По этим данным реконструируется древний вариант генетического кода:

Здесь третий нуклеотид еще ничего не кодирует, аспартат и глутамат не различаются, а кодон AG, в современном коде — «спорная территория», захваченная серином и аргинином, кодировал другую аминокислоту, ныне исчезнувшую. Возможно, это был диаминобутират — аминокислота, похожая на орнитин и лизин, но с более короткой боковой цепью. Кодон CU в современном коде занят лейцином, членом семейства пирувата, которому по теории положен кодон UU. Видимо, CU раньше тоже принадлежал вымершей аминокислоте или был стоп-кодоном. Стоп-кодоном, скорее всего, был и UA.

Это выглядит красиво и логично, но к сожалению, есть столь же убедительные данные и в пользу участия антикодоновых нуклеотидов в синтезе аминокислот. Так что полной ясности в этом вопросе нет.