Евгений Кунин - Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции
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 (RL) может потерять исходную функцию катализа X → Y при сопутствующем усилении функции аминокислотной лигазы, в то время как другая копия (R0) 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 R0 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 RL развивает способность связывать комплексы аминоацил – РНК T, а не отдельные аминокислоты, что приводит к большей стабильности и пространственной точности связи. Главная биохимическая активность RL 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 RL, может катализировать реакцию транспептидации со скоростью, сравнимой со скоростью полной рибосомы (Wohlgemuth et al., 2006).
8. Эволюционирует вспомогательная субъединица РНК RS под давлением отбора в сторону повышения эффективности связи и точности расположения комплекса аминоацил-T на RL. Механизм распознавания РНК T переходит от слабоизбирательного взаимодействия между РНК T и RL к избирательному спариванию оснований между протоантикодонной петлей T и РНК RS. 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 RL. 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.
