Ученые проследили происхождение генетического кода до ранних структур белков
Новое исследование Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне проливает свет на происхождение и эволюцию генетического кода. Работа опубликована в Journal of Molecular Biology.
Связь кода и протеома
"Мы обнаружили, что происхождение генетического кода таинственным образом связано с дипептидным составом протеома — совокупности белков организма", — заявил ведущий автор Густаво Каэтано-Аноллес.
Его команда, используя филогеномику, ранее построила эволюционные деревья для белковых доменов и транспортной РНК (тРНК). В новом исследовании они изучили эволюцию дипептидных последовательностей (пар аминокислот, связанных пептидной связью) и обнаружили, что их история совпадает с историей доменов и тРНК.
Две системы кодирования
Жизнь работает на двух взаимосвязанных кодах:
- Генетический код хранит инструкции в нуклеиновых кислотах (ДНК и РНК).
- Белковый код определяет, как ферменты поддерживают жизнедеятельность клетки.
Мост между ними — рибосома. Ключевую роль играют ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы, которые загружают аминокислоты на тРНК и являются "стражами" генетического кода.
Ход исследования и ключевые выводы
Ученые проанализировали 4.3 миллиарда дипептидных последовательностей из 1561 протеома организмов трех надцарств: Археи, Бактерии и Эукариоты.
Результаты подтвердили ранее установленную хронологию включения аминокислот в генетический код:
- Группа 1 (старейшие): тирозин, серин, лейцин.
- Группа 2 (8 аминокислот): связаны с появлением редактирования в синтетазах и раннего операционного кода.
- Группа 3: более поздние аминокислоты.
Анализ трех источников данных — белковых доменов, тРНК и дипептидов — показал конгруэнтность (совпадение) в последовательности появления аминокислот.
Неожиданное открытие: дуальность дипептидов
Исследователи обнаружили синхронное появление на эволюционной шкале пар комплементарных дипептидов, например, аланин-лейцин (AL) и лейцин-аланин (LA). Эта дуальность предполагает, что дипептиды возникали, будучи закодированными в комплементарных цепях нуклеиновых кислот, вероятно, в минималистичных тРНК, взаимодействующих с первичными синтетазами.
Значение для науки
Исследование указывает, что дипептиды были не случайными комбинациями, а критически важными структурными элементами, формировавшими фолдинг и функцию ранних белков. Они представляют собой первичный белковый код, возникший параллельно с ранним РНК-операционным кодом.
Понимание эволюционных корней генетического кода важно для современных областей:
- Генетическая инженерия и синтетическая биология могут использовать эволюционную перспективу для более эффективного дизайна.
- Биомедицинские исследования получают более глубокое понимание фундаментальных биологических ограничений и логики кода.