Доистория жизни: в рибосомах обнаружены элегантно простые организующие принципы
Почти все известные формы жизни на нашей планете полагаются на один и тот же генетический код для определения аминокислотного состава белков. Хотя гипотез много, вопрос о том, как в ходе эволюции кода конкретные аминокислоты были закреплены за определёнными трёхбуквенными комбинациями (кодонами), остаётся предметом спекуляций.
Исследователи из Института биологических исследований Солка, взяв за основу реликты этой эволюции, сохранившиеся в современных клетках, пришли к выводу, что после всего двух волн «сопоставления» и небольшой последующей корректировки все 20 стандартных аминокислот были надёжно связаны со своими кодонами. Это заложило основу для появления белков с уникальными, определёнными последовательностями и свойствами.
Их выводы, которые будут опубликованы в онлайн-выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences, предоставляют первые in vivo данные, проливающие свет на происхождение и эволюцию генетического кода.
«Хотя в течение долгого периода химической эволюции, вероятно, тестировались разные алгоритмы, или коды, современный код оказался настолько устойчивым, что, будучи установленным, дал начало всему древу жизни», — говорит ведущий автор исследования Лей Ван, доктор философии.
Клетки выполняют огромное разнообразие функций, но обходятся очень ограниченным набором молекулярных «кирпичиков». Практически все известные формы жизни используют одни и те же 20 аминокислот.
Каждая из 20 аминокислот связана со своей молекулой-переносчиком — транспортной РНК (тРНК). Во время синтеза белка, который координируется рибосомами, аминокислоты по одной доставляются соответствующими тРНК и встраиваются в растущую цепь белка согласно инструкциям, записанным на универсальном языке жизни — генетическом коде. Код «считывается» с помощью антикодонов, встроенных в каждую тРНК, которые связываются со своими комплементарными кодонами.
Одна из теорий — стереохимическая гипотеза — получила некоторое подтверждение, когда исследователи показали, что короткие полинуклеотидные молекулы, содержащие кодоны или антикодоны, склонны взаимодействовать со «своими» аминокислотами.
Если химическое или физическое взаимодействие между аминокислотами и нуклеотидами действительно двигало формирование генетического кода, рассудили учёные, то его следы можно найти в современных клетках. Они сфокусировались на рибосомах — крупных комплексах, состоящих примерно из 50 белков, тесно взаимодействующих с рибосомными РНК.
«Кроме того, рибосома возникла на ранней эволюционной стадии жизни, чтобы помогать с трансляцией генетического кода ещё до последнего универсального общего предка, — объясняет Ван, — и поэтому с большей вероятностью может служить молекулярной окаменелостью, сохранившей биологические свидетельства».
Когда Ван и его коллеги исследовали бактериальные рибосомы на предмет отпечатков генетического кода, они обнаружили свидетельства того, что прямые взаимодействия между аминокислотами и триплетными антикодонами нуклеотидов помогли установить соответствия.
«Теперь мы полагаем, что генетический код устанавливался в два разных этапа», — говорит первый автор исследования Дэвид Б. Ф. Джонсон.
Их данные мало что говорят о раннем коде, состоявшем из пребиотически доступных аминокислот. Но как только был установлен примитивный трансляционный механизм, в смесь начали добавляться новые аминокислоты, которые внедрялись в генетический код на основе специфических взаимодействий «аминокислота-антикодон».
«Мы нашли свидетельства того, что несколько аминокислот были переназначены на другой кодон, но как только код был установлен, он взял верх, — говорит Джонсон. — Возможно, это был не самый лучший из возможных вариантов, но единственный, который был жизнеспособен в то время».