Эйген, Шустер - Гиперцикл. Принципы самоорганизации макромолекул - 1983, страница 12

сятся в основном к значению о, которое входит в соответствующую формулу только в виде логарифма. При ббльших о тоже был бы получен приемлемый предел для т ,„. Итак, приведенное значение в конечном счете может быть не так уж далеко от действительности. Другая серия экспериментов, выполненных Вейсманом с сотрудниками [34), показывает, что в распределении дикого типа присутствует сравнительно небольшое количество стандартного фага.

Эти данные заставляют думать, что и-' = Я и что действительное число нуклеотидов на самом деле очень близко к пороговому значению т,„[см. уравнение (18)1. Миди-вариант, использованный в экспериментах Миллса, Спигелмана и др. [7], состоит всего из 218 нуклеотидов и, следовательно, не так хорошо адаптирован к изменениям среды, как РНК Яа. Он, конечно, оптимально адаптирован к специальной среде — «стандартной реакционной смеси», использованной в экспериментах !п ч!!го (в которых не требовалось, чтобы молекулы РНК были инфекционны). Однако его реакция на изменения среды, например на добавление ингибитора репликации — этидиумбромида, — оказалась довольно медленной. Мутант, полученный после 20 переносов, в каждом из которых могло происходить усиление в 10' раз, отличался от миди-варианта дикого типа всего в трех положениях н в новых условиях среды проявлял сравнительно небольшое селективное преимущество.

Причиной медленной реакции является то, что 218 нуклеотидам при среднем качестве копирования отдельной буквы 0,9995 соответствуют значения Я, близкие к единице, так что последовательности дикого типа реплицируются очень точно — с образованием лишь сравнительно небольшого количества мУтантов ((10ось) из распределения ошибочных копий. Замечательным результатом этих исследований с теоретической точки зрения является вовсе не тот факт, что пороговое соотношение выполняется как неравенство.

Поскольку его вывод основывается на очень общих рассуждениях, любое серьезное несоответствие означало бы, что мы плохо понимаем, что такое дарвиновские системы. Для таких несоответствий нет никаких причин, потому что мы знаем достаточно хорошо молекулярный механизм репликации в таких «прозрачных» системах, как фаг Яб.

Поистине удивительным результатом является то, 64 Часть А. Возникновение гипгрцикла что в действительности значение о остается не только ниже порога и „, но и почти совпадает с ним. Число нуклеотидов вполне могло бы лимитироваться не качеством копирования символа д, а другими факторами, что привело бы к значениям о, лежащим намного ниже порога, допускающего воспроизводимое накопление информации.

!' Рис. 11. Цикл репликации, который встречается у РНК-содержа. щих фагов, ведет к образованию оавоцепочечных единиц РНК с высокоспецифичными вторичной и третичной структурами, которые играют роль феиотипических мишеней 111, 34!. Образование полных или частичных дуплексов из плюс. и минус-цепей (так называемых пар Хофшиайдера или Франклина соответственно) предотвращается немедленным закручиванием на себя новосинтезированной цепи. Используя миди-вариант фага Спнгелману и др. 135) удалось доказать существование эффектов ингибирования, которые обусловлены образованием дуплек.

сов. Репликация одноцепочечных молекул основана на эффективном взаимодействии репликазы с плюс- н минус-цепями, что требует наличия определенной симметрии третичной структуры фенотипически важных участков. Л~. )торог ошибок и эволюция Итак, мы вынуждены заключить, что эти РНК- содержащие фиги в ходе своей эволюции действительно стремились накопить максимально возможное количество информации, используя при этом также большие экстрацистронные (но фенотипически активные) области генома. Этот факт не исключает того, что при других (например, искусственных) условиях соревнование могли бы «выиграть» молекулы РНК гораздо меньшей длины — такие, как упомянутый выше миди-вариант, или что при других природных условиях существуют гораздо менее сложные жизнеспособные фаги. Еще важнее осознание того, что в природе не существует фигов с (одноцепочечной) РНК, геном которых был бы больше, чем примерно г0 000 нуклеотидов.

Это заставляет полагать, что ферментативный механизм репликации РНК, особенно по отношению к дискриминации оснований А и 6 или У и С, достиг своего оптимума и не может быть далее улучшен. Никакая одноцепочечная РНК не способна поддерживать правильное воспроизведение информации, превышающей то количество, которое по порядку величины эквивалентно 1000 — 10 000 нуклеотидов (точное значение зависит от о ). Конечно, с химической точки зрения могут существовать молекулы большей длины, но они не имеют эволюционной ценности. Более того, уравнение (20) предписывает, что требованиям селективного сохранения информации должны удовлетворять как плюс-, так и минус-цепи, хотя только одна из цепей обязана нести генетическую информацию, транслируемую аппаратом хозяина.

Эти выводы относятся лишь к молекулам РНК, которые во время своей репликации действуют как одноцепочечные матрицы и для которых был предложен механизм репликации, изображенный на рис. 11 !11]. 1Н.Зг Репликацня ДНК В случае двухцепочечных молекул, особенно ДНК, мы сталкиваемся с совершенно другой ситуацией. Такие молекулы обычно редуплицируются в форме Часть А. Возникловгяиг гаигрцикла ! М. Порог ошибок и эволюция двухцепочечных единиц, т. е.

они могут считаться истинно самовоспроизводящими, по крайней мере в феноменологическом смысле (хотя передача информации и в этом случае основана на комплементарности нуклеотидов). Рассмотрим вкратце, что известно 110] о воспроизведении таких двухцепочечных молекул ДНК (см. рис. 12). 1. Репликация является полуконсервативным процессом. Двухцепочечная ДНК копируется с образованием двух (совершенно идентичных) дуплексов, каждый из которых содержит одну родительскую цепь. 2. Репликация начинается в определенной точке роста и может распространяться в обоих направлениях.

Раскручиванию двойной спирали способствуют так называемые расплетающие белки; некоторые из них были выделены и идентифицированы. Они увеличивают скорость раскручивания иа три порядка, в результате репликационная вилка движется сравнительно быстро. В то же время необходимо снимать напряжение кручения, вызванное раскручиванием части молекулы.

Существует предположение, что вращение участков молекулы вокруг фосфодиэфирной связи может происходить благодаря разрывам и воссоединениям цепи под действием эндонуклеаз и лигаз. 3. Репликация каждой из двух цепей происходит путем присоединения нуклеотидов в направлении 5' - 3'. ДНК-полимеразы способны присоединять мономеры только таким уникальным векторным путем, и этот процесс не может протекать на обеих цепях одновременно.

Электронная микроскопия с разрешением около !00 А выявила наличие одноцепочечных участков только на одной стороне репликационной вилки; это позволяет думать, что построение второй цепи начинается лишь после того, как возникает значительный промежуток, достаточный для продвижения в направлении 5'- 3'. 4. Репликация осуществляется короткими дискретными импульсами. У прокариот фрагменты, 5' 3' 3' 5' Рнс. 12. Полуконсерватнвнзя репликзция двухцепочечиой ДНК— это крайне сложный процесс, состоящий из многих этапов, на которых протекают различные реакции и осуществляется контроль.

Наиболее важные из этих этапов указаны нз рисунке 1101. Обе дочерние цепи полимеризуются в направлении 5'-ьз'. Рзскручивзнне родительской двойной спирали производится рзсплетающим белком (()). Синтез новых фрагментов инициируется РНК-ззтрзвкзмн, которые обркзуются с помощью ферментзтивной системы (1) и затем гидролизуются, по-видимому, при участии нуклеззной активности полимерззы-1 (Р~). Считают, что рост цепи до образования фрагментов длиной !000 — 2000 нуклеотндов в основном производится комплексом полимерззы-1П (Рп~). Эти новообразованные тяк называемые фрагменты Окз. заки соединяются друг с другом с помощью лигкзы (ь).

Неправильно спаренные нуклеотиды нз Зсконце фрагментов (и только они) вырезаются 3'-ь 5сэкзонуклекзой, по всей вероятности, комплексом полимерзэы-! (Р~), активность которого в основном связана с репзрзцией и заполнением пробелов. Другие процессы — например, репарация с помощью 5'-ь-3'-экзонуклегзы, которая может удалять целые фрагменты ДНК,- — нз этой схеме не указаны, потому что они, по.видимому, не играют большой роли в синтезе новых цепей, Часть А. Возникновение гикерцикла 1'т'.

Порог ошибок и зволюции образующиеся за один импульс, имеют длину около 1000 — 2000 нуклеотидов. Синтез их инициируется затравкой, которой служат очень короткие фрагменты РНК. Участки реплицированной ДНК, располагающиеся вдоль обеих цепей позади репликационной вилки, соединяются затем друг с другом с помощью лигаз. 5. Различные функции, необходимые для репликации ДНК, были идентифицированы путем выделения отдельных ферментов и определения их активности.