Ник Лейн - Лестница жизни. Десять величайших изобретений эволюции
Код внутри кодонов! С 60-х годов в генетическом коде выявили целый ряд закономерностей, но большинство из них легко было отбросить как обыкновенный статистический шум (что, собственно, и делал Крик). Казалось даже, будто совокупность этих закономерностей не несет особого смысла. Хороший вопрос - почему так казалось. Этим вопросом задался калифорнийский биохимик Брайан Дэвис, уже давно интересовавшийся корнями генетического кода. Он отмечает, что сама идея “застывшей случайности” погасила интерес к проблеме происхождения кода. Какой смысл изучать происхождение случайности? Случайности случаются, только и всего. Кроме того, по мнению Дэвиса, те немногие исследователи, которые продолжали интересоваться этой проблемой, пошли по ложному пути, ухватившись за наиболее популярную в то время идею первичного бульона. Если генетический код возник в таком бульоне, то он должен восходить к молекулам, возникновение которых в результате происходивших в таком бульоне физических и химических процессов особенно вероятно. А это заставляло предположить, что в основе кода лежал некий базовый набор аминокислот, а все остальное добавилось позже. Истины в этой идее было ровно столько, чтобы данные, свидетельствующие в ее пользу, производили сильнейшее впечатление, хотя в действительности они лишь сбивали с толку. Смысл закономерностей генетического кода мы начинаем понимать лишь тогда, когда рассматриваем его как продукт биосинтеза, то есть продукт клеток, способных синтезировать собственные “строительные блоки” из водорода и углекислого газа.
Так что же собой представляют эти неочевидные закономерности? С каждой буквой триплетного кода связана некая закономерность. Особенно красноречивы свойства первой буквы, поскольку она касается процесса, позволяющего поэтапно превращать несложные вещества-предшественники в аминокислоты. Принцип, лежащий в основе этой закономерности, настолько поразителен, что его стоит здесь изложить в двух словах. В клетках современных организмов аминокислоты синтезируются посредством целого ряда биохимических преобразований, начинающихся с нескольких несложных веществ-предшественников. А удивительно здесь то, что между первой буквой триплетного кодона и этими несложными предшественниками есть определенная связь. Так, все аминокислоты, предшественником которых оказывается пируват, соответствуют кодонам, начинающимся с одной и той же буквы - в данном случае Т5. Я привел в качестве примера именно пируват, потому что мы уже встречались с этим веществом в главе 1. Оно может образовываться в гидротермальных источниках из углекислого газа и водорода при участии катализаторов - ими могут служить присутствующие в таких источниках минералы. Но это относится не только к пирувату. Предшественники всех аминокислот участвуют в цикле Кребса - основе биохимии всех клеток, и должны образовываться в щелочных гидротермальных источниках, которые мы обсуждали в главе 1. Напрашивается вывод (на данном этапе, надо признать, поверхностный, но нам еще предстоит его уточнить), что между первой буквой триплетного кода и гидротермальными источниками существует какая-то связь.
А как обстоят дела со второй буквой? Здесь наблюдается связь со степенью растворимости (или нерастворимости) аминокислоты в воде, то есть гидрофильности (или гидрофобности). Гидрофильные аминокислоты растворяются в воде, в то время как гидрофобные с ней не смешиваются, а растворяются в жироподобных веществах, таких как липидные мембраны клеток. Все аминокислоты можно распределить по своего рода спектру, начиная от “очень гидрофобных” и заканчивая “очень гидрофильными”. Именно этот спектр имеет связь со второй буквой триплетного кода. Пяти из шести самых гидрофобных аминокислот соответствуют кодоны с буквой Т в середине, а всем самым гидрофильным - кодоны с буквой А в середине. Промежуточным аминокислотам спектра соответствуют кодоны с буквой Г или Ц в середине. Таким образом, чем бы это ни объяснялось, в целом наблюдается сильная и вполне определенная связь между первыми двумя буквами каждого кодона и той аминокислотой, которую этот кодон кодирует.
Именно последняя буква приводит к вырожденности кода: восьми аминокислотам свойственна (прекрасный научный термин!) четырехкратная вырожденность. Хотя большинству читателей может показаться, что четырехкратная вырожденность означает совершенно опустившихся людей, пьяниц, которым удается падать в четыре разных канавы одновременно, биохимики обозначают этим термином ситуацию, когда третья буква кода не несет никакой информации. Независимо оттого, какое азотистое основание стоит на этом месте, во всех четырех случаях триплет кодирует одну и ту же аминокислоту. Например, в триплете ГГГ, кодирующем глицин, можно заменить последнюю Г на Т, А или Ц - и все три новых триплета будут по-прежнему кодировать глицин.
Вырожденность кода по третьей букве имеет несколько интересных следствий. Мы уже отмечали, что дублетный код мог бы кодировать только шестнадцать из двадцати входящих в состав белков аминокислот. Если исключить из их списка пять самых сложных (оставив, таким образом, пятнадцать, плюс стоп-кодон), закономерности, касающиеся первых двух букв, окажутся выражены еще ярче. Так что, возможно, код первоначально был дублетным и лишь потом расширился до триплетного в результате “присвоения кодонов”: аминокислоты могли соперничать друг с другом за третью букву. Древнейшие аминокислоты, вероятно, получили “нечестное” преимущество в борьбе за “прикарманивание” триплетных кодонов, и очень похоже, что так оно и было. Например, те пятнадцать аминокислот, которые скорее всего кодировались первоначальным дублетным кодом, загребли себе 53 из 64 возможных триплетов (в среднем 3,5 кодона на аминокислоту), в то время как оставшиеся пять “позднейших” аминокислот разделили между собой лишь восемь кодонов (в среднем 1,6 на аминокислоту). Очень похоже, что здесь кто успел, тот и съел.
Давайте подробно рассмотрим следующую возможность: код первоначально был дублетным, а не триплетным, и кодировал пятнадцать аминокислот (плюс один стоп-кодон). Этот первоначальный код, судя по всему, был почти полностью детерминирован, то есть продиктован физическими и химическими факторами. Есть немного исключений из того правила, что первая буква связана с предшественником, а вторая - с гидрофильностью или гидрофобностью аминокислоты. Здесь было мало простора для игры случая, не было свободы от физических законов.
Но с третьей буквой дело обстояло иначе. Здесь было куда больше возможных вариантов, и многое могло произойти по воле случая, после чего отбор получал возможность “оптимизировать” полученный код. Такое смелое предположение высказали в конце 90-х годов два английских специалиста по молекулярной биологии, Лоренс Херст и Стивен Фриленд. Эти два исследователя получили известность благодаря своей совместной работе по сравнению генетического кода с миллионами случайных кодов, сгенерированных компьютером. Они оценивали потенциальный вред точечных мутаций, при которых одна буква кодона заменяется другой. Исследователи задались вопросом, какой код лучше всего противостоял бы таким мутациям, либо по-прежнему кодируя все ту же аминокислоту, либо меняя ее на другую, похожую. Оказалось, что настоящий генетический код поразительно устойчив к таким изменениям: точечные мутации часто вообще не влияют на последовательность аминокислот, а если все-таки влияют, то аминокислота обычно заменяется на другую, близкую к исходной. Более того, Херст и Фриленд пришли к выводу, что наш генетический код лучше миллиона альтернативных кодов, сгенерированных случайным образом. Он оказался отнюдь не жалкой поделкой слепого шифровальщика, а уникальным продуктом, единственным из миллиона. Авторы этой работы утверждают, что наш код не только устойчив к потенциальным изменениям - он нейтрализует возможные катастрофические последствия тех изменений, которые все-таки происходят и тем самым ускоряют эволюцию. Ведь ясно, что у мутаций намного больше шансов оказаться полезными, если они не ведут к катастрофическим последствиям.
Не постулируя вмешательство божественного замысла, подобную оптимизацию можно объяснить только работой отбора. А если так, то шифр жизни должен был эволюционировать. И действительно, целый ряд незначительных вариаций этого “универсального” кода, наблюдаемых среди бактерий и митохондрий, говорит именно о том, что генетический код все-таки может эволюционировать - по крайней мере, при исключительных обстоятельствах. Но как, спросите вы вслед за Криком, он может меняться, не вызывая бедствий? Ответ: постепенно. Если аминокислота кодируется четырьмя или даже шестью разными кодонами, то некоторые из них могут использоваться чаще других. Редко используемые кодоны вполне реально передать другой (но, вероятно, близкой) аминокислоте, не вызывая катастрофических последствий. Именно так генетический код может эволюционировать.
