Происхождение жизни. От туманности до клетки - Михаил Никитин

В интересном варианте этой теории рассматривается не просто взаимодействие РНК с аминокислотой, но учитывается еще минеральная подложка, к которой прилипает РНК (Mellersh, 1993). На поверхности смектита и некоторых других глинистых минералов РНК принимает форму зигзага, при этом образуются «карманы», подходящие по размеру для молекул аминокислот и ограниченные с разных сторон тремя нуклеотидами (рис. 13.6). При высыхании зигзаг РНК меняет форму так, что аминокислоты в соседних «карманах» сближаются и могут соединиться пептидной связью.

Форма «карманов» зависит от составляющих их нуклеотидов, особенно от первых двух. Молекулярное моделирование показывает, что большинство троек нуклеотидов составляют «карман», наиболее подходящий для той аминокислоты, которая кодируется этой тройкой в стандартном генетическом коде. Триплеты УАА, УАГ, УГА образуют слишком тесные «карманы» для любой аминокислоты, поэтому стали стоп-кодонами.

Хотя Меллерш, автор этого варианта теории, считал, что аминокислоты связывались напрямую с древней матричной РНК, точно такие же «карманы» могли быть на конце древних транспортных РНК, коль скоро древняя жизнь была связана с минеральными поверхностями.

Наконец, четвертая теория (коэволюции) утверждает, что предковые кодоны принимали участие в биосинтезе аминокислот (Di Giulio, 2008). В таблице генетического кода действительно прослеживается соответствие между первым нуклеотидом кодонов и путями биосинтеза аминокислот. Например, три аминокислоты – аланин, аспарагиновая и глутаминовая – образуются в одну стадию из пировиноградной, щавелевоуксусной и кетоглутаровой кислот. Все они имеют кодоны, начинающиеся с G. В одной из лучше разработанных версий теории (Copley at al., 2005) это объясняется так: синтез аминокислот происходил после присоединения предшественника к гидроксильной группе рибозы РНК (конкретнее, к 2' – концу), и ее, РНК, первые три нуклеотида стали кодоном. В этом случае аминогруппа гуанина оказывается на подходящем расстоянии, чтобы облегчать восстановительное аминирование альфа-кетокислот, таких как пировиноградная и кетоглутаровая (рис. 13.7).

Синтез других аминокислот проходит в несколько стадий и начинается с присоединения фосфатной группы на конец будущей боковой цепи. Аминокислоты, происходящие таким способом из щавелевоуксусной кислоты, – аспарагин, треонин, изолейцин – имеют кодоны на А; происходящие из кетоглутаровой кислоты – аргинин, пролин, глутамин – на С (таблица 13.2). Фосфорилирование облегчается аминогруппами (NH2) этих нуклеотидов, причем расстояние от места прикрепления аминокислоты (2' – ОН группы рибозы) до аминогрупп разных нуклеотидов как раз соответствует разным кислотам-предшественницам.

Дальше по этой теории в игру вступает второй нуклеотид.

В работе Copley et al. (2005) приводится множество возможных реакций с участием двух нуклеотидов протокодона, ведущих к образованию 10 из 20 аминокислот. На рис. 13.7 мы привели лишь одну из них. К сожалению, для многих аминокислот, в том числе древних и важных, связи между кодонами и путями биосинтеза не вписываются в эту схему (валин, лейцин) или не прослеживаются вовсе (глицин, серин). Так что и эта теория тоже объясняет лишь часть особенностей стандартного генетического кода.

История аминоацил-тРНК-синтетаз

Аминоацил-тРНК-синтетазы – это группа ферментов, которые присоединяют аминокислоты к соответствующим транспортным РНК. Благодаря их способности к узнаванию аминокислот и транспортных РНК и реализуется генетический код. Если в рибосому попадает аминокислота на «чужой» тРНК, то синтезируется ошибочный белок. Никаких средств проверки таких ошибок рибосома не имеет.

Понятно, что современные аминоацил-тРНК-синтетазы – это белки, которые строятся в рибосоме. На ранних этапах развития рибосомы их функции должны были выполнять рибозимы. Такие рибозимы, узнающие аминокислоту и присоединяющие ее к транспортной РНК, были получены путем искусственного отбора и практически не уступают белковым аналогам в скорости работы и точности узнавания аминокислот.

Аминоацил-тРНК-синтетазы делятся на два класса, которые сильно отличаются по трехмерной структуре. Между двумя классами аминоацил-тРНК-синтетаз существует удивительная симметрия: в клетках, как правило, есть 10 синтетаз класса I и 10 – класса II; опознаваемые ими кодоны разделены тоже практически поровну – 29 и 32. Ферменты разных классов узнают транспортные РНК с разных сторон и присоединяют аминокислоту к разным местам молекулы тРНК: класс I – к 2' – гидроксильной группе концевой рибозы, а класс II – к 3'. В принципе, две аминоацил-тРНК-синтетазы разных классов могли бы присоединить две аминокислоты к одной транспортной РНК, не мешая друг другу. Возможно, что в древности это происходило на первом этапе синтеза дипептидов на одной тРНК. В современных белках аминокислоты, кодируемые двумя классами аминоацил-тРНК-синтетаз, распределены не случайно: вероятность того, что две соседние аминокислоты принадлежат разным классам синтетаз, составляет для древних универсальных белков 58,6 %, а не 50 %, как можно было бы ожидать. Видимо, это отголосок древних механизмов синтеза пептидов.

Разные аминокислоты распределены по классам аминоацил-тРНК-синтетаз не случайно: с одной стороны, в арсенале каждого класса есть кислые, щелочные и гидрофобные аминокислоты, с другой – большинство гидрофобных (лейцин, изолейцин, валин) принадлежат к синтетазам класса I, а самые малые аминокислоты (глицин, аланин) – класса II. Удивительно то, что самые важные аминокислоты в активном центре ферментов класса I присоединяются к своим тРНК при помощи ферментов класса II, и наоборот!

Несмотря на то, что два класса аминоацил-тРНК-синтетаз не имеют ничего общего ни в последовательности аминокислот, ни в их трехмерной укладке, Сергей Родин и Сузуму Оно выдвинули в 1995 году смелую гипотезу о том, что древнейшие синтетазы обоих классов кодировались одним геном (Rodin, Ohno, 1995). Ученые обратили внимание на то, что части генов, кодирующие активный центр (100–120 аминокислот из 600–1000, входящих в состав всей белковой молекулы) в классах I и II, обладают некоторым сходством. Сходство выявляется, если ген одного из классов читать по комплементарной цепи – т. е. «задом наперед», заменяя каждый нуклеотид на комплементарный ему. Родин и Оно предположили, что предковый ген кодировал сразу две аминоацил-тРНК-синтетазы, ставшие предками каждая своего класса, которые читались с этого гена в двух разных направлениях. Такое кодирование двух белков одним геном было тогда неизвестно, но со временем подобный пример нашелся: оказалось, что у водяной плесени Achlya klebsiana один ген кодирует в одну сторону глутамин-дегидрогеназу, а в другую – шаперон семейства HSP70 (шапероны помогают белкам правильно свернуться.) Более того, по трехмерной структуре эта глутамин-дегидрогеназа относится к суперсемейству «Россмановской укладки» (Rossman fold), как и класс I аминоацил-тРНК-синтетаз, а HSP70 по трехмерной структуре оказывается дальним родственником аминоацил-тРНК-синтетаз класса II в суперсемействе биотин-синтазной укладки (Carter, Duax, 2002). Потом совместное кодирование глутамин-дегидрогеназы и HSP70 было обнаружено и в нескольких видах бактерий. Наконец, был получен искусственный ген, кодирующий в одну сторону активный центр аминоацил-тРНК-синтетазы класса I, а в другую сторону – класса II. Оба его продукта хорошо выполняли функции аминоацил-тРНК-синтетаз (Carter et al., 2014). Так что совместное происхождение двух классов аминоацил-тРНК-синтетаз с одним предковым геном кажется очень вероятным. Более того, суперсемейство Россмановской складки – вообще крупнейшее среди белковых суперсемейств, в среднем к нему принадлежат десятки видов клеточных белков. Суперсемейство биотин-синтазного фолда скромнее, но тоже одно из крупнейших. И только у аминоацил-тРНК-синтетаз есть важные причины кодировать два разных белка одним геном – для синтеза белков нужен весь комплект этих ферментов, и вероятность потери гена для одного из них надо минимизировать. Так что эволюция двух крупных белковых суперсемейств могла начаться с аминоацил-тРНК-синтетаз.

Аналогичное экономное кодирование могло быть и в рибосомных РНК. В последовательности рибосомных РНК, особенно малой субъединицы, есть участки, похожие на гены транспортных РНК для всех 20 аминокислот. Уровень сходства составляет 60–80 % совпадающих нуклеотидов. Если при помощи РНК-полимеразы сделать комплементарные копии этих участков рибосомной РНК, то они сворачиваются в трилистники так же, как настоящие транспортные РНК. Это сходство слишком велико, чтобы быть случайностью. Помимо транспортных РНК в рибосомной РНК могли быть закодированы также различные белки. Если перекодировать последовательность рибосомной РНК в белковую, как это в норме происходит с матричными РНК, то среди получившихся последовательностей будет много узнаваемых фрагментов рибосомных белков, аминоацил-тРНК-синтетаз, РНК-полимераз и других ферментов (Root-Bernstein & Root-Bernstein, 2015). Возможно, древние рибосомные РНК помимо своей основной структурной функции заодно кодировали набор транспортных РНК и какие-то из ферментов, необходимых для синтеза белков. В дальнейшем, с увеличением емкости генома, эта функция рибосомных РНК стала ненужной, поэтому следы такого кодирования, к сожалению, сильно размыты за миллиарды лет эволюции.