Эйген, Шустер - Гиперцикл. Принципы самоорганизации макромолекул - 1983 (947301), страница 37
Текст из файла (страница 37)
ХУ, Гиперциклинеская организация раннего аппарата трансляции Любая модель эволюции раннего кода и аппарата трансляции должна удовлетворять условиям, в которых тРНК-подобные адапторы и предшественники генов (или информационных РНК) для различных ферментативных факторов могли бы не только сосуществовать, но и согласованно развиваться и эволюционировать к оптимальному функционированию. В частях А и В было показано, что такая самоорганизация требует наличия циклически замкнутых реакционных связей между всеми партнерами, если только они не могут структурно интегрироваться в одну репликативную единицу.
В этом разделе мы попытаемся показать, как реалистические модели кода связаны с гнперциклической организацией и как такие системы могут эволюционировать. Очевидная проблема, связанная с гинерциклом, — это проблема его возникновения. Предпосылкой гиперциклической организации является, по-видимому, наличие в достаточном количестве всех компонентов гиперцикла. Говоря более научным языком, для возникновения гиперцикла — сети реакций высокого порядка — требуется его «нуклеация» по какому-нибудь механизму высокого порядка. Рассмотрим для сравнения простую репликативную единицу, численность которой растет по автокаталитическому закону первого порядка.
В растворе, содержащем высокоэнергетический строительный материал в определенной концентрации, для начала процесса размножения нужна лишь одна копия. Такие эксперименты проводились с.фаговой РНК или с ее неинфекционными вариантами (7, 8, 32, 34, 731. Одной матричной цепи достаточно, чтобы в течение нескольких минут произвести большую популяцию идентичных копий (см. часть А). Гиперцикл никогда не мог бы зародиться таким способом. Отдельная матричная копия не станет размножаться, пока в наличии не будет достаточно Часть В. Реалистичгскив гипгрцикл 2!6 ХР.
Гипгрцикличгская органиэация аппарата трансляции 217 большого числа ее специфических каталитических партнеров. Последние в свою очередь кодируются матрицами, которые сами по себе не могли бы размножаться без помощи своих продуктов трансляции. Размножение всех матриц в системе зависит от каталитической поддержки, но число катализаторов не сможет расти, если не размножаются матрицы. Насколько велика вероятность того, что нуклеация произойдет посредством какой-нибудь случайной флуктуации? Допустим, что имеется пробирка с ! мл раствора. Константа скорости реакции между макромолекулами, лнмитируемая диффузией, имеет порядок 10гМ ' ° с '. Следовательно, в растворе должно содержаться по меньшей мере 1Ог идентичных копий партнера данной каталитнческой реакции, чтобы на- ЧаЛОСЬ РаЗМНОжЕНИЕ МатРИЦЫ С Ючи РаВНЫМ ПРИ- мерно 1 сут.
Очень маловероятно, чтобы согласованное функционирование нескольких партнеров могло быть результатом случайного совпадения таких гн. гантских флуктуаций. Конечно, не исключено, что процессы размножения различных матриц имеют смешанный порядок, т. е. автокаталитические члены первого порядка (в'отсутствие ферментов — это размножение матрицы без каталитического содействия других компонент) накладываются на члены катализируемой репликации второго порядка. Тогда гиперциклическая связь станет эффективной лишь после того, как концентрации вырастут до достаточно высокого уровня.
Однако система не может знать заранее, которые из многих альтернативных последовательностей, размножающихся по закону ав.:катализа первого порядка, будут давать полезную информацию для катализаторов, необходимых на более поздних этапах организации. Существует только один путь решения этой проблемы: Гиперциклу должна предшествовать система, имеющая высокую природную распространенность, из которой он возникает постепенно, путем мутаций и отбора, Таким предшественником может быть квазнвид, представленный распределением ОС-богатых последовательностей. Численность всех членов устойчивого квазивида будет расти, пока их концентрации не станут достаточно велики.
Как было показано в разд. Х!1т, некоторые ОС-богатые последовательности могут дать начало трансляции путем установления соответствия между аминокислотами и определенными антикодонами. На этом этапе продукты трансляции на самом деле еще не являются необходимыми для сохранения системы, так что трансляцию пока можно считать игрой проб и ошибок. Если, однако, один из продуктов трансляции создаст преимущество для воспроизведения своей собственной мРНК, то эта мРНК может стать доминирующей в квазивидовом распределении.
Отдельный внд РНК может создать алфавит в лучшем случае из двух аминокислот, если как плюс-, так и минус-цепи действуют как адапторы для двух комплементарных кодонов (иапример, ООС и ОСС). Если адапторные последовательности достаточно обильны, то с некой конечной вероятностью сосуществующие мутанты будут сопоставлять аминокислоты двум илн даже четырем кодонам (включая ПАС и Я)С для аспарагиновой кислоты и валина), причем, по-видимому, снова используются как плюс-, так и минус-цепи. Все это может произойти еще на стадии квазивнда. Такая система, однако, может эволюционировать только в том случае, если различные виды РНК будут стабилизировать друг друга с помощью своих продуктов трансляции.
Обсуждение деталей кодирования, например вопроса о том, могут ли плюс- и минус-цепи данного вида РНК эволюционировать одновременно и тем самым становиться двумя адапторами для комплементарных кодонов или же плюс- цепь в качестве мРНК кодирует фактор связи, в то время как в качестве адаптора действует только минус-цепь, мы отложим до равд. ХЛ. Здесь же мы исследуем такую проблему: как из квазивидового 218 Часть В.
Реалистический гинерцикл Х)г. Гиперцикли«еская органиэация аппарата транслнции 2!9 аг Рнс. 52. Два мутантных гека 1, н 1з, коднрующнх свои собственные реплнказы Е, н Ез, могут создавать равноценные связн, приводящие к самоуснленню (11, 221 н взаимному уснленню 121, 121, благодаря своему близкому родству. Аналогпчное по. ведение может быть свойственно реплнказам современных РНК. содержащих фагов. распределения может постепенно сформироваться гиперциклическая организация. Рис. 52 иллюстрирует возможный путь решения этой проблемы.
Допустим, что имеются два мутанта квазивида, присутствующих в достаточно высокой концентрации, плюс- и минус-цепи которых способны действовать как адапторы для (максимум) двух пар аминокислот (например, О!у/А1а и Азр/Ча!) и которые в то же время могут транслироваться в белок, состояший из (максимум) четырех видов аминокислот. Если продукты трансляции обладают какой-либо каталитической функцией, благоприятствующей воспроизведению своих мРНК, то мы, вероятно, получим одну из ситуаций, представленных на рис.
52 или 53. Обе информационные РНК, будучи близкородственными мутантами, кодируют два белка с близкими функциями, Если один из иих — специфическая репликаза, то другой будет тоже репликазой, причем каждая из активностей будет усиливать как саму себя, так и вторую активность. Однако может иметь место и специфичность, потому что оба белка не обязательно должны узнавать обе последовательности одинаково хорошо, неродственные же последовательности они вообще не будут узнавать.
Две «свои» последовательности имеют специфический сайт связыва. ния для инициирования репликации. Различия в силе связывания для четырех возможных взаимодействий Е, и Ез с 1, и 1, могут быть небольшими. Однако эти различия (отмеченные на рисунках разной толщиной линий), какими бы малыми они ни были, будут иметь радикальные последствия, как видно из рассмотрения соответствуюших диаграмм особых точек (табл. !7). Мы можем выделить четыре случая: 1.
Е, более благоприятствует 1ь чем !ь а Ез более благоприятствует 1щ чем 1, (рнс. 53,А), Следствие: и 1н и 1х гиперциклнчески усиливаются соответствующими ферментами, что ведет к сильной конкуренции. Выжить может только один из конкурентов, даже если они будут селекционно эквивалентны. 2. Как Еь так и Е, более благоприятствуют 1ь чем 1х (рис.
53,Б). Следствие: 1, выходит победителем, а 1, вымирает. 3. Как Еь так и Е, более благоприятствуют 1ж чем 11 (рис. 53, В). Следствие: теперь победителем является 1ж а 1~ вымирает. 4. Е, более благоприятствует 1ж чем 1ь Ез более благоприятствует 1„ чем 1з (рис. 53, Г). дг кг кг кг А 5 и Г Рнс. 53, Эволюционный принцип для гнперцпклов нллюстрнруе ся четырьмя возможными снтуацнямн, которые возникают ла- й годаря связям между двумя мутантамн, представленными н т а рнс. 52. Толстые линии указывают, какие связи являются предпочтительными (какнм бы малым нп было зто предпочтение)„ Для устойчнпостп даучлевного гпперцвкла требуется, чтобы пре.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
