Происхождение языка жизни

Генетический код — универсальный язык жизни. Он описывает, как информация закодирована в генетическом материале, и одинаков для всех организмов — от бактерий до человека. Однако происхождение кода остаётся загадкой. За последние два года исследовательская группа Бояна Жагровича в лабораториях Макса Ф. Перуца (MFPL) Венского университета и Медицинского университета Вены обнаружила несколько удивительных ключей к разгадке этой тайны. Результаты описаны в серии статей, последняя из которых опубликована в декабре в Nucleic Acids Research.

Кодирование через связывание

Одна из идей, стереохимическая гипотеза, предполагает, что код может быть следствием прямого сродства аминокислот к соответствующим нуклеотидам. Проще говоря, символы генетического кода (нуклеотиды) могут напрямую связываться с объектами, которые они обозначают (аминокислотами). Однако из-за слабости такого сродства убедительные экспериментальные доказательства гипотезы было сложно получить.

Команда Бояна Жагровича исследовала возможность усиления сигнала при анализе целых молекул матричной РНК (mRNA) и кодируемых ими белков. Они изучили эту взаимосвязь для полных протеомов 15 различных организмов, охватывающих все три домена жизни.

Комплементарные взаимодействия

Используя экспериментальные и вычислительные данные, учёные обнаружили, что профили плотности различных нуклеотидов в mRNA тесно соответствуют профилям сродства аминокислот к этим же нуклеотидам в кодируемых белках. Более того, они показали, что генетический код высоко оптимизирован для максимизации такого соответствия.

Это не только предполагает, что генетический код мог эволюционировать как следствие прямых взаимодействий связывания между mRNA и белками, но и указывает на возможную актуальность таких взаимодействий для современных организмов. Последнее могло бы представлять собой неизвестный ранее уровень регуляции генов.

Сходство с формой для печенья

«Представьте, что вы отправляете друзьям рецепт печенья в форме рождественской ёлки. Если форма дерева описана словами, ни одно печенье не будет выглядеть одинаково. Но если вы отправите всем формочку в виде дерева, все печенья будут идентичны: информация о форме закодирована в комплементарной форме самой формочки. Наши результаты позволяют предположить, что генетический код мог иметь простое начало, при котором информация о белковых последовательностях хранилась в физико-химически комплементарных последовательностях mRNA. Возможно, наш анализ действительно выявил следы такой ушедшей эпохи в современных биомолекулах», — объясняет Боян Жагрович.

Отголоски сегодняшнего дня

Хотя большинство нуклеотидов mRNA показали прямое предпочтение к аминокислотам, которые они кодируют, только один — аденин — демонстрирует противоположное поведение. Это может указывать на то, что аденин вошёл в генетический код на втором этапе его развития, чтобы модулировать и ослаблять связывание.

Учёные ищут экспериментальные доказательства этих утверждений и продолжают анализировать потенциальную роль прямых взаимодействий mRNA-белок в современной биологии.

«Самый очевидный процесс, во время которого mRNA и их кодируемые белки находятся в непосредственной близости, — это трансляция. Вновь синтезированный белок мог бы, например, подавлять трансляцию своей собственной mRNA, конкурируя за связывание с трансляционным аппаратом», — говорит Боян Жагрович. — «Мы продолжаем исследовать, актуальны ли наши результаты для таких регуляторных процессов в современных клетках. Было бы очень интересно, если бы отголоски первобытных событий всё ещё отзывались в ткани биологии сегодняшнего дня».