Как работает генетический код

Генетический код и его универсальность - самый большой камень преткновения в теории абиогенеза. Известные вариации кода ситуацию не спасают - они очень незначительны и крайне редко используются в биосфере. Практически все живые организмы используют один и тот же генетический код (в дальнейшем для краткости - генкод). Это означает, что он был точно таким же еще у последнего общего предка всего живого почти 4 млрд. лет назад. С того времени эволюционировали геномы, менялись схемы метаболизма, рождались организмы с новой клеточной организацией (археи, эукариоты), появлялись и вымирали новые виды, а код так и оставался неизменным. Крик назвал код замерзшей случайностью (frozen accident). Года четыре назад Карл Вёзе заявил, что объяснение универсальности генкода эффектом основателя является заблуждением редукционистов и высказал гипотезу, согласно которой никакого общего предка как отдельного организма и не существовало, а всё ныне живущее является потомком некоего первичного "коммунального" сообщества протоклеточных организмов. В этом сообществе эволюционная динамика была не дарвиновской, а, скорее, ламарковской, а генетическая информация между организмами передавалась не вертикально, а горизонтально. По словам Вёзе, это могло способствовать сближению разных "генетических кодов" отдельных организмов, и в итоге породить один код [1].Как бы там ни было на заре появления жизни, но последние 3-4 млрд. лет генкод действительно не менялся. При этом сам по себе он вполне изменяем - это очень гибкая штука. Не существует жесткой химической логики, которая связывала бы данный кодон с данной аминокислотой. Это в таблице мы пишем, что такому-то кодону соответствует такая-то аминокислота. Но физически в клетке они даже не контактируют друг с другом. Они взаимодействуют через посредников - молекулы тРНК. Как же реализуется генетический код, эта абстрактная таблица? Где и как она закодирована физически? Здесь я просто опишу ответы на эти вопросы и поясню, почему код гибкий. Эволюционные идеи насчет того, почему код именно такой, какой он есть, будут позже. Главные герои рассказа - молекулы тРНК и аминоацил-тРНК-синтетазы (для краткости в дальнейшем - просто синтетазы). Второстепенные герои - молекулы аминокислот и молекулы мРНК, точнее, их кодоны. Транспортные РНК (тРНК)Названы они так потому, что именно они транспортируют аминокислоты в рибосому для синтеза белков. Сами молекулы тРНК считываются из генома. Но в отличие от мРНК, считываемых из обычных генов, тРНК не транслируются в белок, а приобретают особую пространственную конфигурацию и сами становятся функциональными единицами. Длина всех тРНК составляет около 80 нуклеотидов (рис. 1A). Особую форму молекула принимает за счет того, что в ее последовательности имеются комплементарные участки, которые взаимодействуют друг с другом точно так же, как две цепочки взаимодействуют в ДНК. Ее вторичная структура напоминает клеверный лист (рис. 1B). Но в действительности происходит дальнейшая укладка, и в итоге молекула тРНК по форме напоминает букву L (рис. 1С). На всех трех рисунках разными цветами выделены одни и те же участки. Рис. 1Молекулы тРНК содержат нестандартные основания, полученные модификацией стандартных уже после считывания из генома (ведь в ДНК неизменно встречаются только 4 стандартные буквы). Например, ψ - псевдоуридин, D - дигидроуридин (см. рис. выше). Y обозначает любой пиримидин (U или C). Обозначения 5' и 3' задают направление чтения нуклеотидов. Нас сейчас больше всего интересуют два сайта молекулы тРНК - акцепторный стебель, к которому прикрепляется аминокислота, и антикодон, который комплементарно спаривается с кодоном на мРНК в рибосоме (рис. 2A). Если антикодон подошел к кодону, аминокислота отсоединяется от тРНК и присоединяется к растущей полипептидной цепи. Если нет - тРНК вместе с аминокислотой вылетает из рибосомы, на их место приходит другая пара и т.д. Но даже с учетом такой "стрельбы в холостую" бактериальная рибосома умудряется наращивать аминокислоты в белке со скоростью 20 штук в секунду (у эукариот раз в 10 медленнее). Рис. 2На рис. 1 изображена конкретная тРНК, соответствующая аминокислоте фенилаланин. Заглянув в таблицу генкода, мы увидим, что этой аминокислоте соответствуют два кодона - UUU и UUC. И действительно, в тРНК мы видим антикодон GAA, который комплементарен кодону UUC. Что насчет второго кодона? Нужна ли для него другая тРНК? Вообще, одной аминокислоте в общем случае соответствует несколько кодонов. Это значит, что либо для каждой аминокислоты должно существовать несколько тРНК, либо одна и та же тРНК должна узнавать несколько кодонов. На деле имеют место оба случая. Некоторым аминокислотам соответствует несколько молекул тРНК с разными антикодонами, а некоторые тРНК устроены так, что узнают несколько кодонов, т.к. они требуют точного спаривания только в двух позициях между кодоном и антикодоном, разрешая нестандартное сочетание оснований в третьей позиции кодона (т.н. wobble-pairing, рис. 2B). Это позволяет клетке иметь не 61 разновидность молекул тРНК (число кодонов за вычетом STOP-сигналов), а иногда в два раза меньше. Конкретное количество разных типов зависит от вида организма. У человека их 48, у некоторых бактерий - 31. Еще важно запомнить, что тРНК отличаются друг от друга не только антикодоном - параллельно с ним имеются нуклеотидные отличия и в других местах. В итоге тРНК с разными антикодонами отличаются также слегка и всей своей пространственной конфигурацией. Вернемся к основному вопросу - как реализуется генкод?. Теперь его можно перефразировать так: почему молекулы тРНК носят именно те аминокислоты, которые соответствуют их антикодонам? Вообще-то, самой молекуле тРНК до лампочки, какая к ней прикреплена аминокислота - соответствует ли она ее антикодону или нет. И вот здесь появляется второй герой, точнее, герои - синтетазы.  Аминоацил-тРНК-синтетазыЭто белки-ферменты, обычно мономеры (состоят из одной белковой единицы) или гомодимеры (состоят из двух одинаковых полипептидных субъединиц). Всего их 20 типов - по одной на каждую аминокислоту. Именно эти ферменты и насаживают аминокислоты на молекулы тРНК с нужными антикодонами. Синтетазы, как обычные белки, считываются из генома и транслируются с помощью рибосомы, тРНК и других, уже имеющихся в клетке синтетаз. Это порождает известную в биологии проблему "курица или яйцо?" - для того, чтобы синтетаза появилась, уже необходимы синтетазы. Для рибосом эта проблема считается отчасти решенной, т.к. она только "наполовину" белок. Основной ее костяк составляет рибонуклеиновая кислота - рибосомальная РНК (рРНК), которая на заре возникновения жизни могла, возможно, выполнять ту же функцию без помощи белков. Про синтетазы можно упомянуть еще одну интересную штуку. Существует два класса синтетаз (по 10 штук в каждом), внутри каждого из них они устроены примерно одинаково. Но удивительным в эволюционном смысле является то, что между этими двумя классами нет ничего общего, кроме конечной функции: структурно белки не похожи, в них практически нет общих мотивов и к тРНК они "подходят" по-разному [2]. Синтетазы - очень специфичные ферменты. Они с высокой точностью узнают "родную" аминокислоту и все молекулы тРНК, соответствующие этой аминокислоте. Более того, синтетазы имеют два сайта - сайт синтеза, в котором, собственно, тРНК и соединяется ковалентно с аминокислотой, и сайт коррекции, где происходит дополнительная проверка. Если аминокислота не "родная" для данной тРНК (по какой-то причине в сайте синтеза произошла ошибка), то аминокислота отсоединяется от тРНК и обе молекулы высвобождаются. Схематично это показано на рис. 3. Рис. 3Теперь вопрос как реализуется генкод можно переформулировать еще раз: как синтетаза узнает свои тРНК? Делает она это "ощупыванием" - одна ее слегка вогнутая сторона предназначена для контакта с тРНК. Со стороны тРНК в процесс узнавания наиболее часто вовлечены акцепторный стебель, антикодон и D-петля. На рис. 4 те нуклеотиды, которые участвуют в распознавании тРНК синтетазой, обозначены фиолетовыми шариками. Чем больше шарик, тем чаще это место используется для распознавания. Числа возле шариков - это порядковый номер нуклеотидов в молекуле тРНК. Например, антикодон образуется нуклеотидами 34, 35 и 36, а нуклеотид 73 находится в акцепторном стебле. Показаны сайты узнавания для двух упомянутых выше классов синтетаз.  Рис. 4Ключевой момент для понимания гибкости генкода здесь в том, что антикодон не является единственным решающим элементом в распозновании тРНК, важна вся ее конфигурация. Более того, в случае некоторых синтетаз (например, лейциновой и сериновой синтетаз у E.coli) антикодон вообще не участвует в распознавании [3]. Что это значит? А то, что какой бы ни был антикодон у такой тРНК, к ней всегда будет присоединяться одна и та же аминокислота. Именно это подразумевается под отсутствием жесткой химической логики, связывающией данные кодон и аминокислоту. В других случаях в распознавании участвует только один нуклеотид антикодона, чего также недостаточно для "жесткого связывания". Даже в тех случаях, когда в распознавании участвует весь антикодон, имеется определенная свобода его изменения. Дело в том, что если в молекуле тРНК искусственно поменять антикодон на другой, оставив всю ее остальную часть нетронутой, то либо тРНК просто станет неактивной, либо она продолжит принимать на себя прежнюю аминокислоту, но с меньшей эффективностью, либо вообще ничего не изменится и она будет принимать прежнюю аминокислоту фактически также эффективно, как и с "родным" антикодоном - конкретный из этих вариантов зависит от нового антикодона [4]. Но чего точно не произойдет - тРНК не начнет принимать новую аминокислоту, соответствующую новому антикодону по таблице генкода. Итак, ответ на вопрос "где физически закодирован генкод" такой: физически он закодирован в молекулах тРНК. А именно: с одной стороны, ее антикодон определяет, какому кодону на мРНК она соответствует; с другой стороны, ее общая пространственная конформация определяет, какой именно синтетазой она будет узнана и, в итоге, какая именно аминокислота к ней будет присоединена. Наглядная аналогия: 20 синтетаз - это 20 закрытых дверей с надписью "аминокислота такая-то". Молекулы тРНК - это ключи от дверей. Если ключ подошел к двери - она открывается и впускает аминокислоту, которая насаживается на ключ, и вместе они готовы к синтезу белка. Антикодоны на тРНК - это бирки с номерами, которые висят на ключах, и которые можно перевешивать с ключа на ключ. Единственное отличие от реальных ключей здесь в том, что иногда смена бирки может влиять на эффективность работы ключа. Но определенная свобода все же имеется, и бирки на ключах можно в какой-то степени комбинировать. Можно предположить, что на заре жизни могла иметь место вообще полная свобода в переназначении кодонов аминокислотам. Сегодня молекулы тРНК, соответствующие одной и той же аминокислоте, но работающие в разных организмах, в деталях отличаются друг от друга. Скажем, в лейциновой тРНК у кишечной палочки антикодон в распознавании не участвует, а у дрожжей там задействован один нуклеотид. Зато в валиновой тРНК у палочки участвуют два нуклеотида антикодона, а у дрожжей опять только один. Это наводит на мысль, что такие "зацепки" появлялись в ходе отбора уже после "установления" генетического кода, способствуя его закреплению. А на раннем этапе код мог быть, в принципе, полностью незакрепленным и любой кодон мог быть "назначен" любой аминокислоте. Теперь вспомним, что сами молекулы тРНК транскрибируются из генома. Поэтому окончательный ответ такой: генетический код "прописан" в геномах! Гибкость генкода можно интерпретировать как его открытость для редактирования. Например, возьмем геном кишечной палочки и найдем в нем все гены, в которых "прошиты" аланиновые тРНК, а также гены с сериновыми тРНК. Меняем во всех этих генах антикодоны - сериновые антикодоны пересаживаем в аланиновые тРНК-гены, и наоборот. Конечно, после этого клетка не выживет, т.к. во всех белках будут вставляться теперь неправильные аминокислоты - вместо серина аланин и наоборот. Поэтому мы также должны заменить во всех белковых генах сериновые кодоны аланиновыми, а аланиновые - сериновыми. Задача, конечно, техничеки трудная, но теоретически выполнимая. И вот после этого клетка уже не почувствует никакой разницы - в белках будут вставляться правильные аминокислоты. Но сам генетический код уже будет другой. Так почему же, если генетический код настолько гибкий, он не менялся последние 3-4 миллиарда лет? У организмов, живших и живущих в это время, в геноме кодируются сотни и тысячи белков. Если происходит мутация в обычном белковом гене, то она либо нейтральна, либо вредна и отсеивается отбором, либо улучшает функцию белка и закрепляется отбором. То есть эволюцию отдельного белка представить можно, за счет последнего варианта. Но ежели происходит мутация, скажем, в антикодоне тРНК, то эта тРНК будет принимать несоответствующую новому антикодону аминокислоту (в лучшем случае она станет просто неактивной) и все белки будут транслироваться неправильно. Ведь в белковых генах остались прежние кодоны - их никто не заменил, как это сделали мы в воображаемом опыте. Поэтому мутации в антикодонах тРНК должны отсеиваться отбором моментально. Поэтому он и не меняется последние миллиарды лет. Но значит ли это, что код действительно является замерзшей случайностью? Нет. Универсальный код с биологической точки зрения просто жутко оптимален. Но об этом в другой раз.Рисунки 1, 2 и 3 взяты (и переведены) из учебника Molecular Biology of the Cell, 5th edition, (c) Garland Science 2008