Текст книги "Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции"

Центральная догма молекулярной биологии (Crick, 1970) постулирует, что информация передается от ДНК к белку посредством РНК (Фрэнсис Крик дополнил ее возможностью обратной передачи информации от РНК к ДНК после открытия обратной транскрипции):

Очевидно, размышляя о происхождении первых живых форм, мы оказываемся перед вопросом типа «курица или яйцо»: что появилось первым – ДНК или белок? ген или его продукт? В такой постановке вопрос, естественно, неразрешим из-за парадокса Дарвина – Эйгена: чтобы реплицировать и транскрибировать ДНК, нужны функционально активные белки, но производство этих белков, в свою очередь, требует точной репликации, транскрипции и трансляции нуклеиновых кислот. Если строго следовать центральной догме, невозможно вообразить, каким мог быть начальный материал для цикла Дарвина – Эйгена. Даже вынесение ДНК из триады и постулат о том, что изначальный генетический материал состоял только из РНК (и сведение, таким образом, триады к диаде), хоть и является ценной идеей (см. следующую главу), но не помогает разрешить парадокс. Чтобы эволюция в сторону усложнения началась, система должна каким-то образом вступить в цикл Дарвина – Эйгена до того, как установится связь между РНК-матрицами (информационной частью системы) и белком (исполнительной частью).

Блестяще остроумное и, по-видимому, единственное решение было предложено независимо К. Вёзе, Ф. Криком и Л. Оргелом в 1967–1968 годах (Crick, 1968; Orgel, 1968; Woese, 1967): ни курица, ни яйцо, но то, что между ними, – одна РНК. Уникальным свойством РНК, делающим ее вероятным и, скорее всего, наилучшим кандидатом на главную роль в древнейшей репликационной системе, является ее способность сочетать в себе информационные и каталитические функции. Было очень заманчиво предположить, что первые репликаторные системы – первые формы жизни – состояли только из молекул РНК, действующих и как носители информации (геномы и гены), и как катализаторы различных реакций, включая в том числе синтез их самих и их предшественников. Это смелое предположение получило блестящее подтверждение с открытием и последующим изучением рибозимов (ферментов РНК): Томас Чек и коллеги в 1982 году открыли автокаталитическое расщепление интрона рРНК инфузории Tetrahymena, а в 1983 году Сидней Альтман и коллеги показали, что РНКаза P является рибозимом. Следом за этими эпохальными открытиями изучение рибозимов выросло в огромную самостоятельную и растущую область исследований (Cech, 2002; Doudna and Cech, 2002; Fedor and Williamson, 2005).

Открытие рибозимов сделало чрезвычайно привлекательной идею о том, что первые репликаторы целиком состояли из молекул РНК, катализировавших свою собственную репликацию. В 1986 году Уолтер Гилберт ввел термин «мир РНК» для обозначения этой гипотетической стадии эволюции жизни, и гипотеза мира РНК завоевала широкую популярность, став ведущей и самой популярной гипотезой о ранних стадиях эволюции. (Различные аспекты гипотезы мира РНК и подтверждающие ее данные основательно рассмотрены в одноименной книге, вышедшей в 2010 г. в 4-м издании: Atkins et al., 2010.)

Популярность гипотезы мира РНК еще более стимулировала исследования рибозимов, нацеленные на поиск разнообразных каталитических активностей РНК – в первую очередь, пожалуй, активности РНК-репликазы. Заслуживает внимания тот факт, что главным экспериментальным подходом к получению рибозимов с желаемой активностью является отбор in vitro, который, во всяком случае концептуально, воспроизводит дарвиновскую эволюцию, происходившую, как полагают, в первичном мире РНК (Ellington et al., 2009). Эксперименты по направленному отбору строятся таким образом, чтобы в случайной популяции последовательностей РНК амплифицировались только те из них, которые катализируют заданную реакцию. В многостадийных экспериментах по отбору были получены рибозимы, катализирующие весьма обширное разнообразие реакций.

В табл. 12-1 перечислены некоторые из наиболее биологически значимых реакций, катализируемых рибозимами. Примечательно, что все три элементарные реакции, необходимые для трансляции, – (1) активация аминокислот через образование аминоацил-АМФ, (2) аминоацилирование (т)РНК и (3) транспептидация (реакция пептидилтрансферазы) – успешно моделируются с помощью рибозимов. Реакция авто-аминоацилирования, принципиально важная для возникновения первичных РНК-адаптеров (аналог АРСазы в мире РНК), была отобрана in vitro с относительной легкостью. Поразительно, что лучшие из полученных рибозимов катализируют эту реакцию с большей скоростью и специфичностью, чем соответствующие АРСазы, и что были отобраны очень короткие олигонуклеотиды, обладающие этой активностью (Turk et al., 2010).

Таблица 12-1. Некоторые из функций рибозимов, потенциально важные для биологической эволюции.

По понятным причинам, основные усилия сосредоточились на подтверждении полимеризации нуклеотидов и, в конечном счете, репликации РНК, катализируемой рибозимами, то есть ключевых процессов в гипотетическом первичном мире РНК. Результаты экспериментов, нацеленных на создание рибозимов-репликаз, до сих пор неоднозначны (Cheng and Unrau, 2010). Получены рибозимы, способные достраивать праймер после его гибридизации с матрицей (Johnston et al., 2001); на начальном этапе такие рибозимы могли действовать только путем спаривания части молекулы рибозима с матрицей, но затем были получены, путем дополнительного отбора, и общие рибозимы-полимеразы данного класса (Lincoln and Joyce, 2009). Результаты последнего прорыва в области рибозимов-полимераз были опубликованы в то время, когда окончательно редактировалась настоящая глава: рибозим-эндонуклеаза получена с использованием рибозима-полимеразы, в свою очередь построенной рекомбинацией двух уже существующих рибозимов, что в принципе представляет собой правдоподобный путь добиологической эволюции (Wochner et al., 2011). Невзирая на серьезные успехи, полученные до сих пор рибозимы-полимеразы все еще весьма далеки от достаточно точных (в смысле порога Эйгена) процессивных репликаз, способных катализировать репликацию экзогенных матриц и самих себя. Ферменты с такими свойствами, по всей видимости, являются conditio sine qua non для развития гипотетического мира РНК. Кроме того, даже имеющиеся рибозимы с ограниченными способностями РНК-полимераз довольно сложны: их молекулы состоят из приблизительно 200 нуклеотидов, и эволюция таких молекул в добиологических условиях была бы нетривиальной.

Концепция мира РНК опирается не только на каталитические способности рибозимов. Процессы мира РНК и по сей день просматриваются в живых формах, пусть и многократно затмеваемые разнообразием белков с их каталитическими и структурными функциями (Doudna and Cech, 2002). Реакции, катализируемые рибозимами, пусть малочисленные и гораздо менее разнообразные, чем катализируемые белковыми ферментами, имеют важнейшее значение в современных клетках. Первейшим примером естественных рибозимов является сама рибосома, где ключевая пептидилтрансферазная реакция катализируется рРНК большой субъединицы без непосредственного участия белков (Beringer and Rodnina, 2007)[128]128
  Весьма поучительно просто взглянуть на опубликованную модель пространственной структуры рибосомы, основанную на результатах рентгеноструктурного анализа (работа, которая принесла Нобелевскую премию Аде Йонат, Венки Рамакришнану и Томасу Стейтцу) (Steitz TA. A structural understanding of the dynamic ribosome machine. Nat Rev Mol Cell Biol. 2008 Mar;9(3):242-53). Хотя рибосома включает только три молекулы РНК и около 50 молекул белков, РНК намного больше по размеру, так что рибосома выглядит как гигантский конгломерат шпилек и петель РНК с небольшими вкраплениями белков – эта картина сама по себе напоминает нам об РНК-мире.


[Закрыть]. В вездесущем ферменте процессинга тРНК, РНКазе Р, собственно катализатором служит молекула РНК, в то время как белковые субъединицы играют роль кофакторов, стабилизирующих каталитическую РНК и способствующих реакции (McClain et al., 2010). Далее, самосплайсирующиеся интроны групп I и II, широко распространенные у бактерий и в органеллах растений, грибов и простейших, являются рибозимами, катализирующими свое собственное вырезание из РНК-транскриптов, часто при помощи особых белков, именуемых матуразами (см. также гл. 7). Практически не подлежит сомнению, что бесчисленное множество эукариотических сплайсосомных интронов, а также малые ядерные (мя)РНК, составляющие активные элементы эукариотических сплайсосом, произошли от интронов группы II (см. гл. 7). Таким образом, сплайсинг, вездесущий процесс в эукариотических клетках, основан на рибозимной каталитической реакции.

В мельчайших из известных инфекционных агентов, вироидах, катализируемые рибозимами реакции непосредственно участвуют в репликации: хотя полимеризация нуклеотидов и катализируется белковой полимеразой, процессинг промежуточных продуктов репликации с образованиме зрелых геномов катализируется рибозимом, содержащимся в самой молекуле РНК вироида (Flores et al., 2004). Существование и центральное значение в современных клетках этих (и, вероятно, других, все еще неоткрытых) РНК-катализируемых реакций предполагает большую роль РНК-катализаторов в начале эволюции жизни. Все эти свидетельства, конечно, далеки от доказательства реальности древнего мира РНК, как он был определен ранее – сообщество разнообразных РНК, обладающих разнообразными каталитическими свойствами и реплицируемых рибозимами-полимеразами. Тем не менее свойства современных РНК, в первую очередь рибозимная активность, полностью совместимы с таким эволюционным этапом и значительно увеличивают его привлекательность. В частности, тот основополагающий факт, что пептидилтрансферазная реакция в рибосоме катализируется рибозимом, наводит на мысль о том, что система трансляции возникла как рибозимная машина.

Таким образом, три независимые группы свидетельств сходятся в поддержку важнейшей роли РНК – а именно РНК-катализа – на самых ранних этапах истории жизни и совместимы с реальностью сложного древнего мира РНК, который Вёзе, Крик и Оргел постулировали вначале на чисто логических основаниях.

1. Сравнительный анализ белковых компонентов системы трансляции и их гомологов, выполняющих другие функции, наводит на мысль о том, что широкое разнообразие белкового мира сформировалось, когда система трансляции состояла в основном из РНК.

2. В современных клетках действует несколько классов рибозимов, и их свойства совместимы с гипотезой о том, что они являются реликтами первичного мира РНК.

3. Хотя рибозимы и менее универсальны, чем белковые ферменты, и обычно значительно уступают им в каталитической активности, они, как было показано в экспериментах по отбору, способны катализировать значительное разнообразие реакций, включая и те, что играют центральную роль в эволюции трансляции (см. табл. 12-1).

Невзирая на все эти аргументы в ее поддержку, гипотеза мира РНК сталкивается с серьезными трудностями. Во-первых, несмотря на все приложенные усилия, отобранные in vitro рибозимы оказываются (относительно) слабыми катализаторами большинства реакций; отсутствие эффективных процессивных рибозимов-полимераз представляется особенно тяжелой проблемой, но имеется также и серьезная нехватка других видов активности, в частности необходимых для синтеза нуклеотидов. Нужно признать, что было бы нереалистичным ожидать от экспериментов по эволюции рибозимов in vitro легкого воспроизведения фактической сложности изначального мира РНК. Хотя эти эксперименты и ставят на службу мощь отбора, они, очевидно, выполняются в совершенно другом временном масштабе и в условиях, неспособных точно воспроизвести (неизвестные) условия в начале жизни (мы обсудим потенциальные экологические ниши для возникновения жизни ниже в этой главе).

Исследование Э. Сатмари и сотрудников дает количественную оценку сложности, которая может быть достигнута в мире РНК, и точности репликации, необходимой для достижения этого уровня сложности (Kun et al., 2005). Оценка, основанная на функциональной устойчивости к мутациям хорошо известных рибозимов, показывает, что при частоте ошибок 10^-3 на нуклеотид за цикл репликазы (это примерно соответствует точности РНК-зависимой РНК-полимеразы современных вирусов) РНК-«организм», состоящий из примерно сотни «генов» размером с тРНК (80 нуклеотидов), будет устойчивым. Такой уровень точности всего лишь на порядок выше, чем у самых точных рибозимов-полимераз, полученных отбором in vitro. Данную величину можно положить приближенной верхней границей сложности ансамблей совместно развивающихся «эгоистичных кооператоров», которые могли представлять собой «организмы» мира РНК.

Даже в лучшем случае мир РНК вряд ли обладал потенциалом эволюции дальше чрезвычайно простых «организмов». Для достижения большей сложности потребовались изобретение трансляции и «белковый прорыв» (перенос основной каталитической активности на белки). Однако силы отбора, лежащие в основе возникновения системы трансляции в мире РНК, остаются неясными, и реконструкция пути к трансляции крайне сложна. Это отсутствие ясности в отношении непрерывности эволюции от мира РНК к РНК-белковому миру является второй по значимости проблемой гипотезы мира РНК, возможно даже более существенной, чем ограниченный каталитический арсенал и (как правило) низкая эффективность рибозимов. Далее мы обсудим возможные пути выхода из этой ситуации.

Природа и происхождение генетического кода

Природа и происхождение значения кодонов универсального генетического кода имеют решающее значение для понимания того, как могла возникнуть трансляция. Эволюция кода остро интересовала исследователей еще до того, как код был полностью расшифрован, и уже самые ранние работы по этой теме отчетливо различали три (возможно, и не взаимоисключающие) эволюционных модели: (1) стерическая комплементарность, обеспечивающая специфическое взаимодействие между аминокислотами и соответствующими им кодонными или антикодонными триплетами нуклеотидов, (2) «застывшая случайность», то есть закрепление случайного кода, который стало практически невозможно существенно изменить позже, и (3) адаптивная эволюция кода, начавшаяся с первоначально случайного соответствия кодонов аминокислотам (Crick, 1968).

Структура кода явственно неслучайна: кодоны родственных аминокислот в основном смежны в кодовой таблице, что обусловливает высокую (хотя и не наивысшую возможную) устойчивость кода к мутациям и ошибкам трансляции, как впервые отметил Вёзе (Woese, 1967), а С. Фриленд и Л. Херст впоследствии показали количественно (Freeland and Hurst, 1998). Высокая надежность кода опровергает сценарий «застывшей случайности» в его крайней форме (случайная привязка кодонов к аминокислотам без последующей эволюции), однако и стереохимическая модель, и модель отбора, и их сочетание, и «застывшая случайность» с последующей адаптацией способны в принципе объяснить наблюдаемые свойства кода (Koonin and Novozhilov, 2009).

Положение осложняется тем, что неизвестно, существует ли стереохимическое соответствие между аминокислотами и соответствующими триплетами нуклеотидов (кодонами). Ответ на этот кажущийся простым вопрос оказывается на удивление трудноуловимым. Ранние попытки обнаружить избирательность взаимодействия (поли)аминокислот и полинуклеотидов были безрезультатны, что говорит о том, что если специфическое сродство и существует, то отнюдь не строгое, и взаимодействие, вероятно, слабо и зависимо от внешних факторов. Хотя и имеются некоторые сообщения о неслучайных взаимодействиях аминокислот с олигонуклеотидами, но в целом попытки продемонстрировать такое взаимодействие напрямую оказались неудачными (Saxinger and Ponnamperuma, 1974).

Интерес к стереохимической гипотезе возродился с появлением метода усиления отбора (SELEX) для выделения олигонуклеотидов (аптамеров), избирательно связывающихся с аминокислотами (Yarus et al., 2005, 2009). Для восьми аминокислот с большими боковыми цепями были выделены аптамеры, значительно обогащенные триплетами нуклеотидов, идентичными либо кодонам, либо антикодонам соответствующей аминокислоты. Результаты этих экспериментов, правда, несколько неубедительны, так как для одних аминокислот аптамеры содержат в основном кодоны, тогда как для других – в основном антикодоны. Рассматриваемые в совокупности, данные по сродству аптамеров к аминокислотам считаются серьезным аргументом в поддержку стереохимической гипотезы происхождения кода, однако реальная надежность и значимость этих результатов остаются под большим вопросом.

Наличие как кодонов, так и антикодонов в аптамерах для нескольких аминокислот затруднительно интерпретировать в терминах стереохимической комплементарности. Кроме того, аминокислоты, для аптамеров которых получены подробные данные, имеют сложные боковые цепи (которые, предположительно, необходимы для избирательного взаимодействия с аптамерами) и, вероятно, являются поздними добавлениями к генетическому коду (Trifonov, 2004). До тех пор, пока не будут получены аналогичные результаты для простых, предположительно древних аминокислот, эксперименты по отбору аптамеров затруднительно рассматривать как убедительный аргумент в пользу стереохимической гипотезы происхождения кода.

Итак, ключевой вопрос о том, играло ли роль в происхождении кода прямое взаимодействие между аминокислотами и специфическими нуклеотидными триплетами, все еще ждет ответа. В следующем разделе, при обсуждении происхождения трансляции, мы будем максимально объективны, рассматривая происхождение кода либо через избирательное взаимодействие между аминокислотами и соответствующими нуклеотидными триплетами, либо через случайное соответствие между аминокислотами и кодонами, то есть из «застывшей случайности».

За 40 лет, прошедших со времени открытия механизма трансляции и расшифровки генетического кода, были предложены многочисленные – неизбежно спекулятивные, иногда надуманные и часто весьма остроумные теоретические модели происхождения и эволюции различных компонентов трансляционной системы и разных аспектов процесса трансляции. Представить здесь тщательный критический анализ этих моделей нереально. Вместо этого мы рассмотрим несколько центральных идей, имеющих прямое отношение к происхождению трансляции, а затем обсудим несколько более подробно единственные два известных мне убедительных сценария.

Главное общее положение эволюции трансляции состоит в том, что отбор на синтез белков не мог быть основной движущей силой эволюции трансляционной системы. Чтобы эта сложная система эволюционировала дарвиновским путем, необходимы многочисленные шаги, а белки появляются лишь на последних из них; до этого момента организм «не знает», какие эволюционные преимущества может нести с собой использование белков. Как отмечалось в главе 9, существует много ситуаций, в которых эволюция как будто обладает возможностью некоего предвидения; эти случаи, однако, основаны фактически на экстраполяции, тогда как в случае трансляции нет еще ничего, из чего можно были бы экстраполировать.

Возникновение сложного механизма трансляции путем случайного дрейфа также не реалистично – во всяком случае, в рамках стандартных представлений эволюционной биологии (см. обсуждение в конце этой главы). Таким образом, единственный возможный путь для появления трансляции, по-видимому, экзаптация: промежуточные этапы эволюции трансляционной системы должны быть отобраны для иных функций, нежели синтез белка. Различные сценарии возникновения трансляции исходят из различных предположений о природе экзаптируемых функций.

Простая и потенциально плодотворная идея состоит в том, что в мире РНК аминокислоты и пептиды функционировали в качестве кофакторов рибозимов. Сатмари первым разработал гипотезу, основанную на этом предположении, и предложил, что «кодирующие коферментные олигонуклеотиды» (ККО; олигонуклеотиды-рибозимы с различными каталитическими активностями, использующие аминокислоты в качестве кофакторов) могли быть эволюционными предшественниками тРНК (Szathmary, 1993, 1999). Предполагается, что ККО собирались с участием содержащихся в них протоантикодонов на эволюционных предшественниках мРНК, однако детали этой стадии остаются неясными. Гипотеза ККО связывается с представлением о том, что тРНК возникла в ходе эволюции в результате двух последовательных дупликаций связывающих аминокислоты шпилек. Вариант гипотезы ККО, предложенный Р. Найтом и Л. Ландвебер, включает эволюцию аминоацилирующих рибозимов (возможность, хорошо подтверждаемая экспериментальными данными, см. табл. 12-1) и возникновение безматричного, опосредованного рибозимами синтеза пептидов в качестве промежуточного этапа эволюции трансляции (Knight and Landweber, 2000).

Майкл Ярус (Yarus, 1998) предложил модель прямого связывания РНК в качестве альтернативы ККО как сценария происхождения трансляции. Согласно этой модели, изначальной формой взаимодействия аминокислот и прото-тРНК было непосредственное связывание, предположительно через кодонные триплеты. Затем непосредственное связывание вытеснилось адапторным механизмом, вероятно, при участии аминоацилирующих рибозимов, как в варианте ККО Найта – Ландвебер.

Взяв за основу гипотезу ККО, мы с Юрием Вольфом разработали обобщенную, но детализированную модель возникновения трансляционной системы в мире РНК (Wolf and Koonin, 2007). Эта модель включает в себя как дарвиновский отбор, так и аспекты конструктивной нейтральной эволюции (см. гл. 8), наряду с экзаптацией и субфункционализацией.

Отправной точкой всех сценариев происхождения трансляции является реплицирующийся ансамбль эгоистичных кооператоров, состоящий из молекул РНК с различными рибозимными активностями и существующий в сети неорганических ячеек (см. дальнейшее обсуждение в следующем разделе). Эти рибозимы исполняют, в числе прочих функций, и функцию репликазы; вероятно, представлены и другие функции, такие, например, как синтез предшественников РНК. Наш эволюционный сценарий включает в себя следующие этапы (см. рис. 12-4).

1. Рибозим R является частью ансамбля эгоистичных кооператоров в ячейке. Этот рибозим достаточно сложен для катализа реакции (X → Y), скорость которой влияет на приспособленность ансамбля, и имеет определенное число позиций, способных к эволюции, так что возможна эволюция новых функций. Две или более абиогенных аминокислоты, присутствующие в ячейке, связываются с R. Избирательное связывание аминокислот обеспечивается активным центром, случайно присутствующим в R. Участие стереохимического протокода (кодон/антикодон) на данном этапе возможно, но не повлияет на ситуацию существенным образом. Присоединенные аминокислоты стимулирует реакцию X → Y, катализируемую R. In vitro были получены рибозимы, сильно стимулируемые пептидами что дает экспериментальное обоснование этому принципиальному шагу (Robertson et al., 2004). В контексте эгоистично-кооперативной эволюции (см. гл. 11) естественный отбор будет отбирать аминокислоты, стимулируемые R, приводя к постепенному совершенствованию пространственного выравнивания аминокислот на R и отбору последовательности и структуры оптимальных для связывания аминокислот.

Рис. 12-4. Концептуальный сценарий происхождения трансляционной системы посредством экзаптации и субфункционализации. Шаги модели, описанные в тексте, обозначены цифрами в скобках.

2. R приобретает дополнительную активность лигазы пептидной связи, формируя олигопептид P из соседних аминокислот, связанных с R. Отбором in vitro были получены рибозимы с высокой активностью пептидной лигазы, хотя и с низкой избирательностью. По-видимому, рибозимы этого класса способны синтезировать только короткие пептиды, состоящие из, самое большее, четырех или пяти аминокислот. Селекционным преимуществом этого новоприобретения будет повышение стабильности реактивного комплекса, приводящее к дальнейшему усилению реакции X → Y. Естественно задаться вопросом, откуда на этом шаге берется энергия, необходимая для формирования пептидной связи. В экспериментально описанных рибозимных пептидных лигазах один из субстратов является активированным производным (аминоацил-аденилат), так что используется энергия эфирной связи. Это напоминает современную трансляцию, в которой АРСазы используют аминоацил-аденилаты для аминоацилирования специфической тРНК, а высокоэнергетичная эфирная связь аминоацил-тРНК используется для транспептидации. Гипотетические древнейшие пептид-лигазы, возможно, действовали таким же образом, используя аминоацил-аденилаты или другие активированные производные аминокислот, произведенные другими рибозимами. И действительно, были получены рибозимы, катализирующие каждую из этих реакций, от аденилирования аминокислот до синтеза пептидов (см. табл. 12-1). Эти рибозимы, несомненно, зависят от энергии фосфодиэфирной связи в АТФ или иной формы энергии.

3. Спонтанная диссоциация или распад R высвобождает пептид P обратно в ячейку. Если P обладает неспецифической способностью стимулировать и (или) стабилизировать рибозимы, он может быть захвачен другим рибозимом E, катализирующим другую реакцию (U → V). Интересным примером мог бы быть пептид, содержащий пару отрицательно заряженных аминокислот и образующий комплекс с двухвалентным катионом, аналогично разнообразным, неродственным современным ферментам метаболизма нуклеиновых кислот (полимеразы, нуклеазы, лигазы, топоизомеразы, и др.). Если P повышает каталитическую активность E, он снова увеличивает приспособленность всего ансамбля.

4. В то время как активность E по-прежнему зависит от наличия P, копия R (R_L) может потерять исходную функцию катализа X → Y при сопутствующем усилении функции аминокислотной лигазы, в то время как другая копия (R₀) сохраняет исходную функцию, все еще усиливаемую пептидом Р. Заметим, что это типичная субфункционализация, основной путь эволюции дуплицированных генов в современных геномах (см. гл. 8). Субфункционализация, возможно, была важна уже в мире РНК, когда выгода усиленного катализа R₀ и Е перевешивала увеличение затрат на репликацию.

5. Повсеместный катализ при помощи пептидов в разделенной на ячейки добиологической системе делает аминокислоты ценным ресурсом для эволюционирующих эгоистичных кооперативов. Учитывая, что аминокислоты являются небольшими полярными молекулами, способными диффундировать сквозь стенки ячеек, накопление аминокислот в ячейке должно было быть полезным. Таким образом, связывающие аминокислоты малые РНК (T) развиваются под эволюционным давлением в сторону накопления аминокислот; эти молекулы могут рассматриваться как аналоги связывающих аминокислоты аптамеров (см. предыдущий раздел). Первоначально РНК T связывают аминокислоты неспецифически. Затем постепенно эволюционирует автокаталитическое аминоацилирование 3’-конца РНК T, что приводит к увеличению сродства к аминокислотам и избирательности в их связывании. Как и в случае пептид-лигазы на шаге 2, этой реакции необходим источник энергии; в этом качестве выступают активированные производные аминокислот, такие как аминоацил-аденилаты.

6. Различные виды РНК T, избирательно связывающие разные аминокислоты, эволюционируют путем дупликации и диверсификации, с сохранением вариантов под давлением отбора в сторону эффективного накопления широкого арсенала аминокислот. Детали связывания аминокислот РНК T будут разниться в зависимости от того, принимается ли гипотеза избирательного распознавания аминокислот специфическими (анти)кодонами. Если такого избирательного распознавания нет, то рассматривается сценарий «застывшей случайности», при котором сайт связывания в РНК T не имеет сродства к кодону или антикодону, а последовательность экспонированной петли (предтечи антикодонной петли) случайна. Независимо от конкретной модели (даже если принимается застывшая случайность), данный шаг, устанавливающий соответствие между аминокислотами и тринуклеотидами, является критически важным для становления генетического кода.

7. Рибозим R_L развивает способность связывать комплексы аминоацил – РНК T, а не отдельные аминокислоты, что приводит к большей стабильности и пространственной точности связи. Главная биохимическая активность R_L смещается от лигирования аминокислот к транспептидации (передача растущего пептида от одного вида РНК T к другому), что приводит, благодаря высокой энергии связи аминоацил-РНК, к увеличению выхода пептидов. Примечательно, что 50S субъединица бактериальной рибосомы, в качестве предка которой предполагается рибозим R_L, может катализировать реакцию транспептидации со скоростью, сравнимой со скоростью полной рибосомы (Wohlgemuth et al., 2006).

8. Эволюционирует вспомогательная субъединица РНК R_S под давлением отбора в сторону повышения эффективности связи и точности расположения комплекса аминоацил-T на R_L. Механизм распознавания РНК T переходит от слабоизбирательного взаимодействия между РНК T и R_L к избирательному спариванию оснований между протоантикодонной петлей T и РНК R_S. Этот шаг является решающим в возникновении полноценной трансляции, механизма, основанного на адаптерах (прото-тРНК, РНК T в этой модели), сопрягающих аминокислоты с соответствующими им кодонами.

9. Поскольку происхождение тРНК всех специфичностей от единого предка очевидно, эволюционный путь от набора примитивных РНК T к современным тРНК требует специального объяснения. На описанных выше ранних этапах эволюции системы трансляции различные виды РНК T могли эволюционировать почти параллельными конвергентными путями. Тем не менее общее происхождение тРНК подразумевает последующее «бутылочное горлышко», через которое прошел только один победитель, молекула в форме «L» с акцепторным триплетом C–C-A на 3’-конце. Давление отбора при этом эволюционном «захвате» могло происходить в сторону пространственной комплементарности и усиленного взаимодействия между аминоацилированной РНК T и пептидил-трансферазой R_L. Такой отбор изначально действовал на единственную РНК T, возможно имевшую сродство к наиболее распространенной аминокислоте. Впоследствии остальные тРНК должны были эволюционировать путем дупликации и специализации.

10. Следующим шагом в эволюции системы трансляции могло быть физическое отделение матричной цепи M от R_S, в результате чего произошло дальнейшее разделение функций кодирования и катализа. В этот момент нить M освобождается от эволюционных ограничений, связанных с функциями катализа и связывания в первичной трансляции, поскольку эти функции перешли на физически различные молекулы РНК R_L и R_S и прото-тРНК. Единственным требованием к M остается ее способность принимать растянутую конформацию для размещения спаренных оснований кодона и антикодона при связывании аминоацил-T РНК. Эволюционные преимущества такого разделения очевидны: промежуточный ассоциат R_SR_L (который, на данный момент, можно обоснованно назвать проторибосомой) в присутствии в ячейке различных олиго– и полинуклеотидов обеспечит синтез все большего разнообразия пептидов, расширяя, таким образом, каталитические возможности ансамбля. Кроме того, этот шаг позволяет отбору действовать в сторону увеличения потенциала репликации (в частности, появления высокоспецифичных сайтов узнавания репликазы) тех видов M, которые кодируют полезные пептиды, приводя к повышению концентрации этих видов РНК в ячейке. По сути дела, в эгоистичном кооперативе запускается разновидность цикла Дарвина – Эйгена.