Книга: Происхождение жизни. От туманности до клетки

История генетического кода

История генетического кода

О дальнейших этапах развития синтеза белков нам может рассказать таблица генетического кода (табл. 13.1).

Существуют четыре основные идеи происхождения связи между аминокислотами и нуклеотидными триплетами. Это теория «застывшей случайности», теория оптимизации на минимум ошибок белкового синтеза, теория структурного соответствия аминокислот кодонам («ключ-замок») и теория коэволюции кодонов и путей биосинтеза аминокислот (Koonin, Novozhilov, 2009).

Первая теория («застывшей случайности») заявляет, что соответствие аминокислот и кодонов когда-то 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.

Вторая, теория оптимизации, утверждает, что генетический код устроен так, чтобы при самых частых ошибках рибосомы аминокислоты заменялись на максимально похожие. Рибосома иногда допускает неточное соответствие кодона мРНК антикодону тРНК, что приводит к включению в белок неправильной аминокислоты. Эти ошибки следуют своим закономерностям: ошибка в третьем нуклеотиде вероятнее, чем в первых двух; перепутать два нуклеотида одного размера (A с G или U с C) проще, чем большой с маленьким (например, А с С).

Как видно из таблицы генетического кода, многие аминокислоты кодируются четырьмя кодонами – последний нуклеотид часто не важен вовсе. Но там, где последний нуклеотид играет роль в выборе аминокислоты, ошибка в нем обычно не так опасна, как могла бы быть в других вариантах генетического кода. Из 20 аминокислот стандартного набора (рис. 13.5) очень мало по-настоящему уникальных. Большинство аминокислот образуют группы из нескольких сходных по размеру и химическим свойствам. Например, валин, лейцин и изолейцин похожи друг на друга, и замена одной из этих трех аминокислот на другую, скорее всего, не испортит белок. Аналогично похожи и во многих случаях взаимозаменяемы аспрагиновая и глутаминовая кислоты, и их кодоны отличаются только в последнем нуклеотиде.

Подсчитано, что стандартный генетический код по устойчивости к ошибкам входит в 0,1 % лучших из возможных, но он не самый лучший. Например, кодон триптофана, UGA, проще всего перепутать с UGG (A либо G в третьем нуклеотиде). UGG является стоп-кодоном, т. е. служит «знаком препинания» для обозначения конца белка в матричной РНК. Если перепутать его с UGA, то вместо завершения белковой цепи к ней присоединится лишний триптофан, а за ним еще какое-то количество лишних аминокислот, пока рибосома не встретит следующий стоп-кодон. Если же произойдет путаница в другую сторону, то вместо вставления триптофана произойдет завершение синтеза белка и получится ошибочный укороченный белок. Поэтому, если стоп-кодон UGA станет кодировать триптофан, помехоустойчивость кода возрастет.

Именно такие изменения кода происходят в малых геномах, например геномах митохондрий (подробнее в главе 18). Так что на формирование стандартного генетического кода влияли и другие факторы, кроме отбора на минимум ошибок. Теория структурного соответствия («ключ-замок») утверждает, что молекулы аминокислот соответствуют по форме кодонам (или антикодонам) РНК, подобно тому как ключ подходит к замку. Благодаря такому соответствию формы кодоны (или антикодоны) способны специфически связывать «свои» аминокислоты, и это взаимодействие дало начало генетическому коду. Действительно, в экспериментах по отбору РНК, хорошо связывающих определенную аминокислоту, в ряде случаев полученные молекулы были обогащены как кодонами, так и антикодонами этой аминокислоты. Самое сильное связывание между аминокислотами и их кодонами наблюдалось для аргинина, изолейцина, гистидина, триптофана и фенилаланина. Все эти аминокислоты относятся к крупным и сложным и, вероятно, появились в составе белков позже, чем самые простые аминокислоты, такие как глицин, аланин, серин и аспарагиновая кислота. К сожалению, так и не удалось создать РНК, связывающие эти простые и древние аминокислоты.

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.