Все живые существа используют генетический код для «перевода» генетической информации на основе ДНК в белки, которые являются основными рабочими молекулами в клетках. То, как именно возник сложный процесс трансляции на самых ранних стадиях жизни на Земле более четырех миллиардов лет назад, долгое время оставалось загадкой, но два биолога-теоретика добились значительного прогресса в разрешении этой тайны.
Чарльз Картер, доктор философии, профессор биохимии и биофизики Медицинской школы Университета Северной Каролины, и Питер Уиллс, доктор философии, адъюнкт-профессор биохимии Оклендского университета, использовали передовые статистические методы для анализа того, как современные трансляционные молекулы подходят друг другу. вместе выполнять свою работу - связывать короткие последовательности генетической информации с кодируемыми ими строительными блоками белка.
Анализ ученых, опубликованный в журнале Nucleic Acids Research, раскрывает ранее скрытые правила, по которым сегодня взаимодействуют ключевые трансляционные молекулы. Исследование показывает, как гораздо более простые предки этих молекул начали работать вместе на заре жизни.
«Я думаю, что мы прояснили основные правила и эволюционную историю генетического кодирования», - сказал Картер. «Это не решалось 60 лет».
Уиллс добавил: «Пары молекулярных паттернов, которые мы идентифицировали, могут быть первыми, которые природа когда-либо использовала для передачи информации из одной формы в другую в живых организмах».
Открытия сосредоточены на молекуле в форме листа клевера, называемой транспортной РНК (тРНК), которая играет ключевую роль в трансляции. ТРНК предназначена для того, чтобы нести простой строительный блок белка, известный как аминокислота, на сборочную линию производства белка на крошечных молекулярных фабриках, называемых рибосомами. Когда копия или «транскрипт» гена, называемого матричной РНК (мРНК), выходит из ядра клетки и входит в рибосому, она связывается с тРНК, несущими свои аминокислотные грузы.
мРНК представляет собой последовательность генетических «букв», излагающих инструкции по производству белка, и каждая тРНК распознает определенную последовательность из трех букв на мРНК. Эта последовательность называется «кодоном». Когда тРНК связывается с кодоном, рибосома связывает свою аминокислоту с предшествующей аминокислотой, удлиняя растущий пептид. По завершении цепочка аминокислот высвобождается в виде вновь рожденного белка.
Белки человека и большинства других форм жизни состоят из 20 различных аминокислот. Таким образом, существует 20 различных типов молекул тРНК, каждая из которых способна связываться с одной конкретной аминокислотой. Партнерами этих 20 тРНК являются 20 соответствующих ферментов-помощников, известных как синтетазы (аминоацил-тРНК-синтетазы), чья работа заключается в том, чтобы нагружать свои партнерские тРНК правильной аминокислотой.
«Вы можете думать об этих 20 синтетазах и 20 тРНК вместе как о молекулярном компьютере, который эволюция разработала для осуществления трансляции генов в белки», - сказал Картер.
Биологи уже давно заинтригованы этим молекулярным компьютером и загадкой того, как он возник миллиарды лет назад. В последние годы Картер и Уиллс сосредоточили свои исследования на этой загадке. Они показали, например, как 20 синтетаз, которые существуют в двух структурно различных классах 10 синтетаз, вероятно, возникли всего из двух более простых, предковых ферментов.
Аналогичное деление на классы существует для аминокислот, и Картер и Уиллс утверждали, что такое же деление на классы должно применяться к тРНК. Другими словами, они предполагают, что на заре жизни на Земле организмы содержали всего два типа тРНК, которые работали бы с двумя типами синтетаз для осуществления трансляции генов в белки, используя только два разных типа аминокислот.
Идея состоит в том, что на протяжении эпох эта система становилась все более специфичной, поскольку каждая из исходных тРНК, синтетаз и аминокислот дополнялась или совершенствовалась новыми вариантами, пока не появились отдельные классы из 10 вместо обычных. каждой из двух исходных тРНК, синтетаз и аминокислот.
В своем последнем исследовании Картер и Уиллс изучили современные тРНК в поисках доказательств этой древней двойственности. Для этого они проанализировали верхнюю часть молекулы тРНК, известную как акцепторный ствол, где связываются партнерские синтетазы. Их анализ показал, что всего три основания или буквы РНК наверху акцепторной ножки несут в остальном скрытый код, определяющий правила, которые делят тРНК на два класса - точно соответствующие двум классам синтетаз. «Просто комбинации этих трех оснований определяют, какой класс синтетазы связывается с каждой тРНК», - сказал Картер.
Исследование по счастливой случайности обнаружило доказательства другого предположения о тРНК. Каждая современная тРНК имеет на нижнем конце «антикодон», который она использует для распознавания и присоединения к комплементарному кодону на мРНК. Антикодон относительно удален от сайта связывания синтетазы, но ученые с начала 1990-х годов предполагают, что когда-то тРНК были намного меньше, объединяя области связывания антикодона и синтетазы в одну. Анализ Уиллса и Картера показывает, что правила, связанные с одним из трех оснований, определяющих класс, - основанием номер 2 во всей молекуле тРНК - эффективно подразумевают след антикодона в древней усеченной версии тРНК.
"Это совершенно неожиданное подтверждение гипотезы, которая существует уже почти 30 лет", - сказал Картер.
Эти результаты подтверждают аргумент о том, что исходная система трансляции имела только две примитивные тРНК, соответствующие двум синтетазам и двум типам аминокислот. По мере того, как эта система развивалась, чтобы распознавать и включать новые аминокислоты, должны были появиться новые комбинации оснований тРНК в области связывания синтетазы, чтобы не отставать от возрастающей сложности, но таким образом, что оставляли заметные следы первоначального расположения.
«Эти три основания, определяющие классы, в современных тРНК подобны средневековой рукописи, оригинальные тексты которой были стерты и заменены более новыми текстами», - сказал Картер.
Выводы сужают возможности происхождения генетического кодирования. Более того, они сужают область будущих экспериментов, которые ученые могли бы провести для реконструкции ранних версий системы перевода в лаборатории - и, возможно, даже заставить эту простую систему эволюционировать в более сложные современные формы той же системы перевода. Это также покажет, как жизнь эволюционировала от простейших молекул до клеток и сложных организмов.