Биология

Своеобразную «шпаргалку» внутри клеток, объясняющую как перевести набор нуклеотидов («букв») в ДНК или РНК в последовательность аминокислот («деталей»), из которых состоят белки, называют генетическим кодом. Его устройство одинаково почти у всех организмов на Земле, однако ученые до сих пор спорят о времени его происхождения и постепенных изменениях. Теперь, проанализировав фрагменты белковой цепи этой древней генетической «шпаргалки», исследователи пересмотрели устоявшиеся представления о ее происхождении.

Универсальный генетический код позволяет цепочкам ДНК и РНК, сложенным из четырех видов нуклеотидов, превращаться в белковые последовательности, состоящие из 20 аминокислот. Этот сложный процесс возникал поэтапно и постепенно эволюционировал, а предыдущие попытки установить четкую «хронологию» появления аминокислот в генетическом коде опирались в основном на данные о химической доступности соединений в добиологических условиях.

В частности, знаменитый эксперимент Миллера-Юри показал, что в далеком прошлом вспышки молний в земной атмосфере могли привести к образованию органических молекул, которые вместе с дождем попали в так называемый «первичный бульон». Теперь исследовательская группа из Университета Аризоны (США) обнаружила, что ранняя жизнь предпочитала простые и мелкие молекулы аминокислот (а более крупные и сложные аминокислоты присоединялись к коду позднее).

Авторы научной работы, опубликованной в журнале PNAS, представили новую оценку порядка включения аминокислот в генетический код, основываясь не на абиотических факторах (температура, свет, влажность, химический состав воздушной и водной среды), а на анализе белковых доменов — относительно коротких, устойчивых фрагментов белковой цепи, способных независимо функционировать и развиваться), — которые возникли у последнего универсального общего предка (LUCA).

Команда ученых во главе с Соусан Вехби (Sawsan Wehbi) провела сравнительный филогенетический анализ тысячи семейств белковых доменов  относящихся к LUCA и реконструировала их аминокислотные последовательности. Метод позволил определить, как реальные потребности организмов, а не только условия окружающей среды, повлияли на порядок добавление аминокислот в генетический код.

Оказалось, что более простые и меньшие по размеру аминокислоты вошли в состав универсального генетического кода раньше, чем считали ученые. То же самое верно и в отношении аминокислот, связанных с металлами и содержащие серу (например, цистеин, метионин и гистидин). Выходит, металлоферменты и серосодержащие белковые компоненты играли критически значимую роль в самом начале эволюции клеточного метаболизма.

Более того, современный генетический код мог появиться после исчезновения древних вариантов. Дело в том, что среди доменов, возникших еще до LUCA, наблюдалось повышенное содержание таких ароматических аминокислот, как триптофан и тирозин, хотя их традиционно считали «поздними новичками».

В тексте научной работы также говорится, что порядок включения аминокислот в генетический код мог быть искажен в рамках лабораторных экспериментов, (последние не всегда адекватно отражают реальные условия в древних клетках).

«Это намекает на то, что до возникновения современного генетического кода могли существовать иные системы кодирования аминокислот, которые ушли в глубины геологического времени. Ранняя жизнь, похоже, «любила» кольцевые структуры», — заключили авторы нового исследования.

Таким образом генетики смогли пересмотреть порядок формирования универсального генетического кода, показав, что он не был целиком задан абиотической доступностью аминокислот, а формировался под влиянием метаболических и структурных особенностей древних клеток. Полученные результаты имеют важное значение для понимания процессов, способствующих возникновению жизни на Земле и помогут в поисках жизни за пределами нашей планеты.