Эйген, Шустер - Гиперцикл. Принципы самоорганизации макромолекул - 1983, страница 14

Следовательно, существует дальнейшая возможность обнару- жения и исправления таких ошибок у рекомбинантов, даже если онн содержатся в дуплексах, репликация которых была завершена ранее. Одна из возможных схем изображена на рис. 13. Однако механизм рекомбинации в настоящее время неизвестен достаточно подробно; не ясно также, сколько этапов в конечном счете ответственно за дальнейшее снижение вероятности ошибки. Известно лишь, что такое снижение было достигнуто, как показывает анализ эволюционного древа, и что это является важной предпосылкой увеличения генетической информационной емкости вплоть до уровня, характерного для человека. !Ч.4.

Первые репликативные единицы Для обсуждения проблемы возникновения биологической информации мы должны начать с другого конца эволюционной шкалы и проанализировать те механизмы, которые привели к первым воспроизводимым генетическим структурам. Физические свойства, внутренне присущие нуклеотидам, дают возможность дискриминировать комплементарные и некомплементарные нуклеотиды с фактором качества д, не превосходящим 0,90 — 0,99. Более детальный анализ, основанный на кинетических и равновесных исследованиях кооперативных взаимодействий между олигонуклеотидами, был опубликован ранее (4, 44).

В соответствии с известными различиями в свободных энергиях для дискриминации между комплементарными и некомплементарными парами оснований могло оказаться полезным наличие в среде больших количеств белков — каталитически активных, но не выполняющих никаких других специальных функций. Однако такие белковые предшественники в одних случаях будут благоприятствовать комплементарным, а в других случаях — некомплементарным взаимодействиям.

Преимущество одних перед другими может определяться только неравенством свободных энергий для различных видов парных взаимодействий. Любое специфическое усиление комплементарных парных взаимодействий потребовало бы Часть А Возникновение гиперцикло конвергентной эволюции тех конкретных ферментов, которые благоприятствуют данному типу взаимодействий. Для этого сами ферменты должны стать частью самовоспроизводящейся системы, что в свою очередь требует эволюционного развития трансляции.

Первыми самовоспроизводящимися структурами нуклеиновых кислот с устойчивым информационным содержанием — при данных оптимальных значениях г) = 0,90 — 0,99 — были молекулы типа тРНК. Однако для любой воспроизводимой системы трансляции необходимо по крайней мере на порядок большее информационное содержание. Как мы знаем из анализа репликации РНК-содержашего фага, такому требованию удовлетворяют только оптимально адаптированные репликазы, которые не смогли бы эволюционно развиться без совершенного механизма трансляции. Современные фаги являются поздними продуктамн эволюции, чье существование обязано наличию такого механизма, без которого природе не удалось бы накопить так много информации в отдельной молекуле нуклеиновой кислоты. Следовательно, для молекулярной эволюции нуклеиновых кислот существовал барьер на уровне структур типа тРНК, подобный барьерам, характерным для более поздних этапов эволюции — т.

е. для увеличения информационной емкости необходимо было возникновение какого-либо механизма нового типа. Итак, тРНК или их предшественники, по-видимому, бьг ги «старейшими» репликативными единицами, которые начали накапливать информацию и отбирались как квазивиды т. е. как варианты одной и той же основной структуры. Первым требованием была устойчивость к гидро- лизу.

Игровая модель, подобная описанной в равд. 1ьт.1„ показала, что известная вторичная (и третичная) структура тРР!К (см. рис. 14, А и Б) является прямым эволюционным следствием этого требования. Далее, симметрия этой структуры отражает оптимизацию ее репликативного механизма, который в соответствии с уравнением (20) предполагает эквивалентное поведение плюс- и минус-цепей, чтобы Увеличенная Ю-ш~аль Рис.

14. Симметрия функциональных молекул РНК (рассмотрена тРНКг"') способствует репликацяи одиночных цепей специ. фически адаптированными ферментами. Плюс- и минус-цепи симметричной структуры имеют одинаковые фенотнпическне особенности. Хотя в современных организмах транспортные РНК кодируются генотипически, их симметрия, возможно, еще отражает первичный механизм репродунцни одноцепочечных РНК, при ко.

тором плюс- н минус-цепи одинаково важны. Этз симметрия наиболее очевидна на уровне вторичной структуры (А), хотя она проявляется также на уровне третичной структуры (Б) (из 1461). ГР. Порог ошибок и эволюция ТЬ г ьн рг Часть А. Возникновение гпперцикло Рис. 1й Модель «цветка» для спигелмановского миди-варианта РНК фага ()Л (плюс-цепь). Требования симметрии менее важны в тех случаях, когда информация отображается в генотипах, которые воспроизводятся посредством стандартных механизмов полимеризации.

Миди-вариант фага ЯВ отобран исключительно по своей фснотипичсской информации — по критерию оптимальности структуры для узнавания ферментом Яр-репликазой. Это свойство должно наследоваться как плюс-, так и минус-цепью. Симметрия структуры становится наиболее очевидной в модели «цветка», хотя эта конфигурация, по-видимому, не карактерна для активной молекулы в естественных условиях. В соответствии с механизмом репликации одноцепочечных молекул (рис 11) преимущество должна, по-видимому, иметь модель, предполагающая немедленное складывание пепи во время е синтеза (27). имело место оптимальное функционирование. Эту симметрию можно обнаружить на уровне РНК-содержащих фагов, особенно для вариантов, которые отобраны по свойству максимальной эффективности при репликации (п уйго и не несут никакой лишней генетической информации (рнс.

15). ! Ч.б. Необходимость возникновении гиперциклов Цель этой работы состоит в том, чтобы показать, во-первых, что скачок в молекулярной эволюции, по-видимому, был вызван интеграцией нескольких самовоспроизводящихся единиц в кооперативную систему, и, во-вторых, что механизм, способный обеспечить такую интеграцию, мог принадлежать только к классу гиперциклов. К этому выводу можно прийти путем следующих рассуждений.

Информационное содержание первых репродуктивных единиц было ограничено т,„( 100 нуклеотидами. Для построения системы трансляции требовалось несколько таких единиц, имеющих сходные функции, но разные специфичности. Указанная система могла возникнуть из одного квазивида, но эквивалентные партнеры должны были эволюционировать одновременно. Этого нельзя было достичь ни посредством сочленения нх в одну самовоспроизводящуюся единицу большего размера (из-за порога ошибок), ни путем компартментации (из-за сильной конкуренции между эквивалентными самовоспроизводящимися единицами внутри компартмента). Необходимо было образование функциональных связей между всеми самовоспроизводящимися единицами, имеющими следующие свойства: 1.

Связь должна все-таки допускать конкуренцию каждой самовоспроизводящейся единицы с ее ошибочными копиями — иначе эти единицы не смогли бы сохранять свого информацию. 2. Связь должна «выключать> конкуренцию между теми самовоспроизводящимися единицами, которые интегрируются в новую функциональную систему, н допускать их кооперацию.

Часть А. Вознигловвние гингрцикла Лг. Порог ошибок и эволюция 3. Интегрированная функциональная система должна быть способной успешно конкурировать с Таблица 4 Основные этапы нэкоплення информвцин в дврвиновскик системах Вероятность Превосьод- Мекснмельиае ошибки ие ство, число букв, Молекуляримй мехеиизм и букву, )-Ч о гп ш т гпех биологический пример 14 60 106 5 ° 10-т 2 20 200 Репликвция РНК в отсутствие ферментов ') Предшественник тРНК, т = 80 Репликзция одноцепочечной РНК с помон)ью спецвфических репликзз егзг (фр, ч = 4500 5 ° 10 2 20 200 1 386 5 991 1О 597 Репликзция ДНК с помощью полнмерэз, включзя коррекцию экзонуклейзой Е.

сои, ч = 4 10' Репликэция и рекомбииз. ция ДНК в эукзрнотических клетках Позвоночные (человек), т=з 10в 2 20 200 1, 10-е 0,7 10е 3,0 10в 5,3 ° 10е 0 7, 10в 3,0 10е 5,3 10е 2 20 200 1 10 любой другой, менее эффективной системой или единицей. Эти три условия можно выполнить только путем установления циклической связи между самовоспроизводящимися единицами — другими словами, функцноналыгая связь между автономными самовоспроиз- ') Убелительных денных о неквтелиеируемай реплнкецни РНК пока ме полу е ,аднока прн кетеливе »о поверхностях нлн прп катал ьс пратеивондеми, которые не были специфически едептпровенм (идея Факса). вероятности ошибки могут соответствонеть приведенным вивчеииям.

водящимися единицами сама должна иметь самоусиливающуюся циклическую природу — иначе их суммарное информационное содержание не сможет сохраняться. Итак, гиперциклическая организация, по-видимому, является необходимой предпосылкой для нуклеации интегрированных самовоспроизводящихся систем с ббльшим информационным содержанием, чем требовалось для возникновения трансляции. Это утверждение следует из того, что будет показано в последующих разделах при более деталь.

ном анализе систем со связями. Если нас спросят, в чем состоит особенность гиперциклов, мы ответим: кОни являются аналогами дарвиновских систем на следующем, более высоком уровне организациир. Дарвиновское поведение — это основа для генерирования информации. Его предпосылкой является интеграция самовоспроизводящихся символов в самовоспроизводящиеся единицы, способньге предохранять себя от накопления ошибок. То же требование сохраняется для интеграции самовоспроизводящихся и селективно устойчивых единиц в следующую, более высокую форму организации, чтобы в результате снова возникло селективно устойчивое поведение.

Только циклическая связь — эквивалент автокагалитического усиления на даннолг уровне !'слг. равд. Ц7 — способна привести к этой цели. Результаты равд. !'ьг суммированы в табл. 4, иллюстрирующей основные этапы накопления информации в дарвиновских системах, которым способствовали различные в отношении накопления механизмы воспроизведения. Эта таблица окажется полезной для обсуждения модели непрерывной эволюции от отдельных молекул до интегрированных клеточных систем, которая рассматривается в части В, ЧАСТЬ Б АБСТРАКТНЫЙ ГИЙЕРЦИКЛ Для характеристики определенного класса самореплицирующихся сетей реакций — гиперциклов— используются топологические методы.