Любые системы вмещаются в код

[egovoru]

Из четырех сортов нуклеотидов можно составить 64 упорядоченных тройки (триплета), а типов аминокислот, задействованных в белках, всего двадцать. Тем не менее, клетки используют все 64 триплета, но распределены они между аминокислотами не поровну: двум, метионину и триптофану, досталось только по одному триплету, зато трем другим, серину, лейцину и аргинину, аж по шесть. Есть ли в этом какая-то логика? И почему вообще триплет, например, АТГ кодирует именно метионин, а не, скажем, пролин (который кодируется, в частности, триплетом ЦЦЦ)?

Таблица стандартного генетического кода: бросается в глаза, что распределение триплетов по аминокислотам отнюдь не случайное! «Стандартным» этот код называют потому, что у некоторых организмов есть мелкие отклонения от него, считающиеся более поздними модификациями. Пояснение для тех, кто забыл: показанный здесь урацил (U) в РНК соответствует тимину (Т) в ДНК

Мы толком не знаем, как, собственно, возник сам чрезвычайно сложный механизм трансляции (биосинтеза белков), утилизирующий генетический код. Тем не менее, Евгений Кунин и Артем Новожилов рассматривают по крайней мере три (не обязательно взаимно исключающие) гипотезы происхождения кода:

• Коэволюционная (метаболическая): генетический код обусловлен эволюцией реакций биосинтеза самих аминокислот;
• Стереохимическая: несмотря на то, что аминокислоты и нуклеотиды – химически совершенно разные типы молекул, между ними все-таки есть определенное избирательное сродство, сыгравшее роль при зарождении кода;
• Минимизации ошибок: нынешний код – результат отбора на стабильность первоначального случайно возникшего.

Аминокислоты, синтез которых термодинамически «дешев», а именно глицин, аланин, аспарагиновая кислота, глютаминовая кислота, валин, серин, изолейцин, лейцин, пролин и треонин (в порядке возрастания «стоимости»), легко получаются в абиотических реакциях (о чем как раз недавно рассказывал уважаемый andresol) и обнаруживаются в метеоритах. Согласно коэволюционной гипотезе, первоначально генетический код был рассчитан только на них, а потом он диверсифицировался по мере того, как организмы обучались синтезировать другие, более «дорогие» аминокислоты. Анализ консервативных участков белков, общих у про- и эукариот и потому могущих считаться самыми древними, действительно показывает более высокое содержание глицина (химически самой простой аминокислоты), чем эволюционно более «молодые» участки.

Стереохимическая гипотеза, предложенная Георгием Гамовым уже через год после открытия двойной спирали, впоследствии вроде бы получила некоторое подтверждение в экспериментах по связыванию аминокислот короткими цепочками РНК (аптамерами). Правда, специфичность проявляют в основном поздние, термодинамически «дорогие» аминокислоты, так что вряд ли этот механизм мог быть задействован на ранних этапах эволюции.

Расчеты показывают, что стандартный генетический код примерно в миллион раз устойчивее к мутагенезу, чем случайный, хотя можно составить и еще более устойчивые (под устойчивостью понимают то, что из-за вырожденности кода замена одного нуклеотида не обязательно приводит к замене аминокислоты). Из этого вроде бы следует, что нынешний код сформировался под действием отбора на устойчивость, но другие расчеты свидетельствуют в пользу увеличения устойчивости как результата нейтрального дрейфа.

Понятно, любые изменения универсального генетического кода у отдельного таксона резко снизили бы эффективность горизонтального переноса генов, особенно важного на ранних этапах эволюции. Так что эффект «замороженной случайности», о котором говорил Фрэнсис Крик, тоже наверняка сыграл свою роль.

Comments

[lj-frank-bot.livejournal.com]

Hello!
LiveJournal categorization system detected that your entry belongs to the category: Наука (https://www.livejournal.com/category/nauka?utm_source=frank_comment).
If you think that this choice was wrong please reply this comment. Your feedback will help us improve system.
Frank,
LJ Team

[egovoru.livejournal.com]

Правильно, Фрэнк!

[lj-frank-bot.livejournal.com]

Хорошо

[le-ra.livejournal.com]

А частота определенных аминокислот в белках как-то коррелирует с количеством вариантов кода для них?

[egovoru.livejournal.com]

Похоже, что да: вот тут (http://www.tiem.utk.edu/~gross/bioed/webmodules/aminoacid.htm) приводят табличку частот встречаемости аминокислот в белках позвоночных: шестикодонные Ser, Leu и Arg составляют, соответственно, 8.1%, 7.6% и 4.2%, а вот Met (с единственным кодоном) - только 1.3%. Но, конечно, надо же еще учитывать частоту встречаемости каждого индивидуального кодона - может, она у них разная? Тогда один, но частый кодон может оказаться лучше, чем 6, но редких.

[ablertus.livejournal.com]

>> Понятно, любые изменения универсального генетического кода у отдельного таксона резко снизили бы эффективность горизонтального переноса генов, особенно важного на ранних этапах эволюции.

Очень интересная мысль, по моему, мне не встречалась. Позвольте спросить, она Ваша?

Если попытаться логически завершить ее: самой выгодной стратегией были бы односторонне-совместимые отклонения от кода, когда ГПГ из чужих геномов в свой возможен, а наоборот - нет. Очень простой (с точки зрения информатики, а не биохимии) способ реализации такого механизма - включение дополнительных нуклеотидов, которые можно использовать в триплетах, непонятных другим организмам. Но такой механизм так и не был реализован на практике, видимо из-за дороговизны. Либо был реализован на начальном этапе, пока число нуклеотидов достигло четырех?

[egovoru.livejournal.com]

"Позвольте спросить, она Ваша?"

Так в посте же сказано, что это мысль Фрэнсиса Крика - авторы обзора ссылаются на вот эту его статью (https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0022283668903926). Но, надо полагать, в 1968 о горизонтальном переносе генов еще толком не было известно, так что специфически в связи с ним они цитируют другого автора:

"In a breakthrough paper, Vetsigian et al. (83) came up with a strikingly simple but powerful idea: There was one frozen accident because extensive horizontal gene transfer (HGT) was an essential part of early evolution, without which the transition to the cellular level of complexity simply could not have occurred. Obviously, even a small change in the code has a prohibitive effect on HGT.

Vetsigian et al. turned to mathematical modeling to investigate the proposition that the requirement for HGT results in the survival of a single, universal code during evolution. Starting with a random ensemble of codes, the simulated evolution experiments lead to code diversification in the absence of HGT but to survival of only a few code variants when HGT is allowed.

In their original analysis of the link between the code evolution and HGT, Vetsigian et al. explored a deterministic model in an infinite population approximation. A more realistic recent model that took into account stochastic effects of the finite population size produced a single, universal code, with a structure resembling the SGC, within a certain range of HGT rates (1, 70)."

Ключевая ссылка 83 - вот эта статья (https://www.pnas.org/content/103/28/10696).

"включение дополнительных нуклеотидов, которые можно использовать в триплетах, непонятных другим организмам"

Насколько я знаю, некоторые эволюционные сценарии таки предполагают участие неканонических нуклеотидов на ранних этапах. В частности, попалась вот такая статья (https://www.nature.com/articles/s41467-018-07222-w). Если осилите прочесть, расскажите, пожалуйста, в чем там суть.

[yoginka.livejournal.com]

Совсем не случайно все оказывается :) И, скорее всего, это только вершина айсберга.

[egovoru.livejournal.com]

Как мы уже обсуждали раньше, под случайностью в генетике понимают ненаправленность изменений в сторону повышения приспособленности. Что же касается случайности в другом смысле, то, надо думать, она тут та же самая, что и вообще в физике - то есть, квантово-механическая. Есть она или нет, и если есть, то откуда берется - вопросы, выходящие далеко за рамки биологии :)

[yoginka.livejournal.com]

А мне кажется, мы сошлись на том, что есть закономерности, и это совместимо с наличием разного рода случайностей. Закономерности не приводят к детерминированности, но могут сильно смещать вероятности.

[andresol.livejournal.com]

Происхождение генетический кода – очень интересная проблема, но явно теоретики никуда не смогут продвинуться без новых экспериментальных данных. Идеально было бы найти в ближайшем космосе или в глубинах Земли другой пример жизни с другим кодом.

[egovoru.livejournal.com]

Да уж, проведя эксперимент только в одной повторности, трудно делать какие-то выводы :)

Но меня поразило, что об эволюции кода есть, оказывается, довольно много литературы - то есть, люди работают, а мне-то казалось, тут вообще ничего нельзя выяснить.

[a-gorb.livejournal.com]

Спасибо! Познавательно и интересно. Мне нравятся такие «краткие сообщения». Читать научно-популярную литературу не всегда есть время, а такие посты дают возможность хоть как-то знакомиться с современными проблемами биологии.
------
Все это является хорошей иллюстрацией к предыдущей теме обсуждения. Есть некий факт, неравномерность использования кодирующих триплетов. Есть гипотезы. Далее, эти гипотезы являются исходным пунктом для логических построений, т.е. они играют роль постулатов. Из них с привлечением еще некоторых постулатов получаются логические выводы, которые в свою очередь сравниваются с широким набором имеющихся экспериментальных фактов и одновременно дают направление для дальнейших исследований с целью получения новых фактов.

[egovoru.livejournal.com]

"такие посты дают возможность хоть как-то знакомиться с современными проблемами биологии"

Проблема происхождения генетического кода всегда казалась мне совершенно безнадежной, и профессионально я всегда держалась в стороне от подобных проблем. Но сейчас, в связи с разговорами на эволюционные темы в журнале, я решила поинтересоваться, а какое, собственно, положнеие дел в этой области сегодня? И с удивлением обнаружила массу литературы - область довольно энергично развивается :)

"гипотезы являются исходным пунктом для логических построений, т.е. они играют роль постулатов"

Действительно, первоначально я написала в посте "гипотеза постулирует", но этот оборот речи все же не слишком удачен - сейчас я его исправила. Постулат - это то, что мы принимаем за истину без доказательств; гипотеза же - это предположение, требующее экспериментальной проверки. Непосредственную проверку мы в данном случае произвести не можем, потому что речь идет о временах, давно минувших, и мы не можем открутить время назад. Соответственно, мы пытаемся найти какие-то следы тех давних событий в сегодняшних реалиях.

Вообще же задача восстановления конкретного хода прошлых событий кажется мне для естествознания не очень типичным. В норме естествознание занимается тем, что может воспроизводиться многократно (в идеале - по нашему желанию), и что поэтому можно непосредственно проверить. Вопросы же происхождения, подобные этому - в общем-то для естествознания маргинальные.

[a-gorb.livejournal.com]

”область довольно энергично развивается :)”
Это замечательно. В науке надо лезть в самые разнообразные области и давать простор воображению.


”первоначально я написала в посте "гипотеза постулирует", но этот оборот речи все же не слишком удачен”
Вполне удачен:)
”Постулат - это то, что мы принимаем за истину без доказательств; гипотеза же - это предположение, требующее экспериментальной проверки.”
Тут надо четче с областями определения:) Постулат – это из области логики. Это именно то, что принимается за истину, что бы из него сделать логические выводы. Законы логики требуют, что бы следствие выводилось из истинного положения, ибо из ложного положения следует все, что угодно. Это логика, в каком-то смысле часть математики. Гипотеза, которая требует экспериментальной проверки – это уже из области естествознания. Поэтому гипотеза как постулат – вполне удачный оборот. Гипотеза выступает первым звеном, т.е. именно постулатом, для последующего логического вывода. А выводы уже проверяются экспериментально. Нет этой проверки, и вы остаетесь в области чистой логики и остается просто постулат, гипотеза исчезает.

”Непосредственную проверку мы в данном случае произвести не можем, потому что речь идет о временах, давно минувших, и мы не можем открутить время назад. Соответственно, мы пытаемся найти какие-то следы тех давних событий в сегодняшних реалиях.”
Все так и есть. Нам нужны выводы, которые мы можем сравнить с чем-то реальным.

”Вообще же задача восстановления конкретного хода прошлых событий кажется мне для естествознания не очень типичным. В норме естествознание занимается тем, что может воспроизводиться многократно (в идеале - по нашему желанию), и что поэтому можно непосредственно проверить. ”
А вот тут не согласен с тем, что воспроизвести многократно и проверить - это одно и тоже. Я провожу эксперименты, воспроизвожу многократно по своему желанию. Но в эксперименте я вижу что на входе, и что на выходе. О том, что там происходит, я не знаю, я не могу восстановить конкретный ход событий, не то что прошлых, а вполне современных. Более того, я не знаю методов, которые позволят мне установить этот ход. Поэтому остается только этот способ, выдвигаем гипотезу про то, что там на самом деле происходит, полагаем ее постулатом, выводим логические следствия и уже их проверяем в эксперименте.

[uri-ben-cephas.livejournal.com]

Не видели этой работы? https://arxiv.org/abs/1303.6739

[egovoru.livejournal.com]

Спасибо за ссылку. Прочла резюме, и этого показалось достаточно: "The signal displays readily recognizable hallmarks of artificiality". Мне кажется, это утверждение из той же серии, что вот мол, глаз устроен так сложно, что никак не мог произойти естественным путем. Мне подобные рассуждения кажутся чисто спекулятивными, ни на чем не основанными.

Но, если Вы прочли саму статью, расскажите, пожалуйста, что же они считают признаками искусственности и как доказывают, что эти признаки действительно работают?

[uri-ben-cephas.livejournal.com]

Может быть, можно ответить лучше, но мне не пришло в голову ничего лучше такого ответа вопросом на вопрос:

Допустим Вы идёте по лесу и видите так расположенные группы палок (камешков, шишек, не важно):
| |
|| ||
||| |||
(можно продолжать, можно представить что-то более специфическое, например, группы по 11, 33 и 99 камешков, но принцип будет тот же).
Есть ли здесь признаки искусственности?

[uri-ben-cephas.livejournal.com]

В общем, они нашли нечто подобное. Если паттерны в моём примере интуитивно кажутся имеющими признаки искусственности, то и то, что они нашли в ГК покажется таким.

[uri-ben-cephas.livejournal.com]

Действительно, вопрос о вероятностях важен и остался за скобками в моих примерах. Но лицо очень простой образ, на самом деле: "точка точка огуречек, вот и вышел человечек". А код, если описывать паттерны как уравнения, полностью определяется ими. Там даже переопределенная система уравнений получается. Т.е. вероятность невелика на вид. У них есть и конкретные стат. тесты, которые показывают, что "случайное возникновение" сигнала маловероятно.

[egovoru.livejournal.com]

"конкретные стат. тесты, которые показывают, что "случайное возникновение" сигнала маловероятно"

А что тут понимается под "сигналом"? Понятно, что такой сложный механизм, как трансляция (биосинтез) белка, не возник одномоментно из ничего, а представляет собой продукт длительной эволюции. Сам код (то есть, соответствие определенных триплетов определенным аминокислотам) тоже эволюционирует: известно немало мелких отклонений от него, особенно в митохондриях (у которых есть своя система биосинтеза белка, отличная от ядерной). Не знаю, считают ли митохондриальный код остатком кода тех бактерий, от которых митохондрии произошли, или адаптацией к эндосимбиозу, но в любом случае это свидетельство эволюции кода.

То, что код не случаен, конечно, бросается в глаза - достаточно взглянуть на его таблицу. Из нее, например, совершенно ясно, что первые две позиции в триплете гораздо более важны для определения характера аминокислоты, чем последняя. Насколько я знаю, это рассматривают как свидетельство того, что нынешний триплетный код пришел на смену ранее использовавшегося двуплетного.

Но неслучайность кода еще вовсе не означает, что он был создан искусственно: он не случаен просто потому, что, например, комплементарная пара АТ держится только на двух водородных связях, а пара ГЦ - на трех. Насколько я знаю, считается, что первые кодоны были богаты именно Г и Ц, что обеспечивало более прочное взаимодействие между кодоном и антикодоном, и только потом, когда ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы уже усовершенствовались в ходе отбора, и более слабые АТ кодоны пошли в дело.

[uri-ben-cephas.livejournal.com]

Паттерны образуются в распределениях нуклонных масс кодируемых аминокислот по кодонам. Например, можно заметить, что в коде есть 8 четверок кодонов вида XY* кодирующих одну аминокислоту, и 8 - две и более. Если посчитать массы боковых цепей одной части будет 333, а если другой - 1110, и т.д. Есть и более удивительные вещи.

[egovoru.livejournal.com]

"коде есть 8 четверок кодонов вида XY* кодирующих одну аминокислоту, и 8 - две и более"

Насколько я понимаю, это объясняют тем, что группы кодонов, ранее кодирующих одну аминокислоту, позже разделились на две и стали кодировать две разных.

[uri-ben-cephas.livejournal.com]

Речь о протонированных и депротонированных формах кислотных и основных а.к.

[egovoru.livejournal.com]

Масса протона - единица, что составляет только 1/147 от массы глутаминовой кислоты. Даже если мы будем считать только боковую цепь, это очень маленькая доля, вряд ли она имеет какое-то значение.