Эйген, Шустер - Гиперцикл. Принципы самоорганизации макромолекул - 1983 (947301), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Тем. не менее для каждой данной мРНК она должна выражаться через структурную стабильность и эффективность правильного воспроизведения. Однако теперь эти свойства зависят также от качества (и концентрации) продуктов трансляции. Поэтому специфическая связь, необходимая для гиперциклической организации, необходима также для любой системы, в которой продукты трансляции должны оцениваться при отборе и посредством этого эволюционировать. Такая связь имеет каталитическую или защитную природу. ХЧ1.3.
Почему нужна гиперциклнческая организация отдельных мутаитных генов, а не один постоянно растущий геному Ответ на этот вопрос в основном был уже дан в части А. Для очень примитивного аппарата трансляции необходимо такое количество информации, какое соответствует геному современных РНК-содержащих фагов (или даже превосходит его). Информация фагового генома может сохраняться лишь с помощью фагоспецифического фермеитативного комплекса, а извлечение этой информации основано на эффективности полного аппарата трансляции, предоставляемого клеткой-хозяином.
Если согласиться с ответами, данными на первый и второй вопросы, то информация, необходимая для зарождения трансляции, должна создаваться на основе кооперации между несколькими мутантами — членами квазивидового распределения, а не просто в результате удлинения одной последовательности, для которой сначала ие существо. пало бы никакого давления отбора, Гиперциклическая стабилизация нескольких сосу- ществующих мутантов эквивалентна эволюции через дупликацию генов. Первоначально мутанты возника- ли как отдельные цепи, а не как ковалентно связан- ные дуплексы. Ограничения точности не допустили бы такого увеличения длины.
Более того, вероятность получить необходимую комбинацию мутантов в од- ной цепи очень мала. Последовательности, состоящей из 100 остатков 6 и С, соответствует 100 мутантов с одной ошибкой, 4950 мутантов с двумя ошибками, 161 700 мутантов с тремя ошибками и т. д., т. е.
/ !00 ьь Фь = ~ ) мутантов с гс ошибками. Число цепей, содержащих и мутантных генов, от- личающихся друг от друга в й определенных положе- ниях (это различие может быть необходимой пред. посылкой функционирования), равно (' )-' Л/ь+ п — 1 Ъ Уа ) = — и (для и « Мь), ) —. что в случае и = 4, и й = 3 дает 3.10'ч альтернатив- ных последовательностей. При наличии даже таких малых отклонений в реплицировавшихся генах веро- ятность найти копию с благоприятной комбинацией в одной гигантской цепи будет почти нулевой для лю- бой популяции разумных размеров. Однако каждый из изолированных мутантных генов, содержащих три замещения, будет представлен в любой макроскопи- ческой популяции в достаточно большом количестве. Наконец, не менее важно, что транспортные РНК вЂ” адапторы трансляции — во всяком случае должны были существовать в виде отдельных цепей.
Эволюция объединенного генома потребовала бы с самого начала сложной регуляции на уровне транс- крипции. Естественный источник изолированных цепей РНК вЂ” это квазивидовое распределение. Все последо- вательности были сходны друг с другом, и таким же сходством, должно быть, обладали продукты их ХьЧ. Десять вояросов 231 220 Часть В. Реалиста«еский еияерцикл трансляции. Как только один продукт трансляции приводил к возникновению фактора связи, эта функция появлялась и у всех других продуктов. В результате могла возникнуть и циклическая связь, необходимая для гиперциклической организации.
Можно даже сказать, что гиперциклическая организация самым естественным образом вытекает из любой реалистической модели примитивной трансляции. Дает ли современная организация генома клеток прокариот какие-либо указания на свою первоначальную структуру? Современные гены, конечно, гораздо больше примитивных информационных РНК. Удлинение генов, так же как и дупликация, давало преимущество всякий раз, когда постоянно растущая точность ферментативного аппарата допускала это. Продукты трансляции становились более сложными, создавая предпосылки для эволюции по пути создания более тонких полиферментных механизмов, использующих дифференцированные ферменты, которые произошли от общего предшественника. В примитивных системах отсутствовали механизмы рекомбинации, используемые клетками в настоящее время, Поэтому современная структура прокариотического генома могла сформироваться в результате удлинения изолированных генов, их дупликации и трипликации с образованием опероиов и их последующего отображения на ДНК, которая может использовать более совершенные средства воспроизведения, приводящие к образованию объединенного генома.
Размеры современных оперонов хорошо соответствуют тем размерам, с которыми может работать совершенная РНК-репликаза (1000 — 1О 000 нуклеотидов). Хй!.4. Необходимы ли при старте тРНК» Этот вопрос можно сформулировать по-другому: «А почему бы адапторам не быть малыми олигонуклеотидами?» Адапторы без информационных РНК бессмысленны. Короткие нуклеотидные последовательности не могут функционировать в качестве информационных РНК. Декапептиды эквивалентны уже почти половине молекулы тРНК. Далее, короткие олигонуклеотиды могут быть нестабильны, так как они лишены третичной структуры. Простейшая симметричная структура, т. е.
отдельная петля, стабилизированная четырьмя или пятью парами оснований, требует целых пятнадцати нуклеотидов. Бесферментное специфическое распознавание аминокислот, в котором участвуют одновременно антикодоновая петля и 3'-конец адаптора, возможно только при наличии более протяженных структур. То же самое верно для взаимодействий между двумя соседними адапторами, которые необходимы для стабилизации комплекса мРНК вЂ” пептидил-тРНК или для конформационного изменения (например, НР-ь-(п), которое может облегчить перемещение растущей пептидной цепи вдоль информационной РНК. Маас и др. [99] недавно сообщили о таком конформационном изменении в антикодоновой петле тРНК, которое они зарегистрировали, наблюдая изменение флуоресценции основания У.
Для фрагмента антикодоновой петли (т. е. для декануклеотида с последовательностью антикодоновой петли) этот эффект, по-видимому, отсутствует. Все это позволяет думать, что недостаточно длинные последовательности РНК не могут функционировать в качестве адапторов. Тогда можно задать вопрос: «Что отличает адаптор от информационной РНК?» Их минимальная длина должна быть примерно одинаковой. Обе они должны иметь специфическую складчатую структуру, которая создает предпосылки воспроизводимого узнавания их факторами связи.
Поскольку каждая тРНК и каждая мРНК нуждаются в факторе связи (например, в репликазе), благоприятствующем их селекционной стабилизации, то двойные функции РНК-последовательностей совершенно необходимы. Итак, плюс- и минус-цепи данной РНК-последовательности могут использоваться совместно как информационная РНК и как адаптор. ХЧА Десять вопросов 233 Часть В. Реалистическая гипгрчакл ХЧ!.5.
Дают ли современные тРНК какие-либо указания на свое происхождение Структурное сходство может быть либо следствием адаптации для достижения обзцей цели, либо указывать на происхождение от общего предка. Современные тРНК имеют много структурных соответствий [75]. Позволяют ли эти аналогии сделать вывод о том, что все тРНК произошли от общего предкаг В соответствии с анализом Джукса [761, на этот вопрос можно ответить осторожным «да».
Почему следует проявлять осторожность, можно показать на примере. Одна особенность, характерная для всех изученных до сих пор прокариотических и эукариотических тРНК,— это наличие последовательности ТфСО в так называемой Т-петле — общем сайте узнавания при рибосомном контроле. Недавние исследования метанобразующих бактерий [77) показали, что у этих микроорганизмов; считающихся «наиболее древними ветвями из всех, которые встретились до снх пор в генеалогии бактерий», указанная последа.
вательность отсутствует, а вместо нее у одной группы имеется последовательность фзрСО, а у другой— ЕфСО. Хотя эти данные не ставят под сомнение, а наоборот, подчеркивают тесные эволюционные связи данного класса микроорганизмов с другими прокариотами, они определенно показывают, что общие свойства могут согласованно приобретаться целыми классами. Это особенно характерно для тех молекул, которые производятся общим аппаратом, например рибосомой — местом синтеза всех белковых молекул. Рис. 56 показывает соответствие последовательностей для четырех тРНК из Е. со((, которые, как мы считаем, являются современными представителями первичных кодоновых адапторов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
