PMC

3. Evolutiiviset seuraukset

Tietämyksemme mukaan tessera-koodi edustaa ensimmäistä kvantitatiivista selitystä degeneraation alkuperälle esi-isien koodeissa. Sellaisena se saattaa olla merkityksellinen geneettisen koodin evoluution selittämisen kannalta. Tämän artikkelin toisessa osassa analysoimme tessera-koodin mahdollisia evolutiivisia vaikutuksia. Tätä varten muistutamme Watanabe & Yokoborin esittämästä evoluutiohypoteesista, joka perustuu translaation analyysiin olemassa olevissa mitokondrioissa (ks. kuva 4, muokattu lähteestä ). Kuvassa 4 esitetään virstanpylväitä, joista vallitsee jonkin verran yksimielisyyttä ja jotka edustavat evoluution vaiheita alkeellisesta geneettisestä koodista nykyisiin muunnoksiin. Ensimmäisenä virstanpylväänä on LUCA:n universaali geneettinen koodi, joka alkaa nykyisistä muunnoksista ja kulkee ajassa taaksepäin. Tämän koodin oletetaan olevan rakenteeltaan samankaltainen kuin nykyinen ydinvoiman standardigeenikoodi. Nykyisten koodien yksinkertaisin muunnos on selkärankaisten mitokondrioiden geneettinen koodi, jota on lähinnä tästä syystä ehdotettu LUCA:n universaalin koodin edeltäjän eli varhaisen koodin malliksi (kuvassa 4 toinen virstanpylväs oikealta). Tärkein evolutiivinen uutuus, joka liittyy siirtymiseen varhaisesta koodista universaaliin koodiin, on tRNA:n transkription jälkeisten modifikaatioiden ilmaantuminen. Tätä tukee se, että joissakin Metazoan mitokondrioissa antikodonin ensimmäisessä asemassa oleva muokkaamaton U voi muodostaa parin kaikkien koodonin kolmannessa asemassa olevien emästen kanssa. Tämä mahdollistaa koodoniperheiden dekoodaamisen ilman muunneltuja nukleotideja (koodoniperhe on ryhmä neljää koodonia, joilla on samat kaksi ensimmäistä emästä ja jotka koodaavat samaa aminohappoa). Watanabe & Yokoborin ehdotuksessa varhainen koodi on johdettu alkukoodista, jossa on vähemmän degeneroituneita aminohappoja, eli Jukesin koodista . Tällaisen koodin oletetaan muodostuvan vain perheistä lukuun ottamatta yhtä aminohappoa ja stop-signaalia, joiden degeneraatio on kaksi eli joita koodataan kahdella koodonilla.

Nyt pääväitteemme on, että tessera-koodi edustaa varhaiskoodin esi-isää, nimittäin esi-varhaiskoodia, joka sijoittuu alkeiskoodin ja varhaiskoodin väliin. On olemassa useita argumentteja, jotka tukevat tessera-koodin asemaa varhaiskoodina (neliönmuotoinen virstanpylväs kuvassa 4). Ensinnäkin sillä on täsmälleen sama degeneraatiorakenne kuin varhaisella geneettisellä koodilla. Lisäksi tessera-koodi on sopusoinnussa Baranovin ym. hypoteesin kanssa, jossa ehdotetaan koodin syntyä pitkien oligonukleotidien avulla, minkä jälkeen koodonien pituus väheni, kunnes saavutettiin optimaalinen määrä kolme. Jos oletetaan, että esi-alkuisessa koodissa on pituudeltaan neljän pituisia koodoneja, oletetaan, että myös primitiivisessä koodissa on vähintään neljän pituisia koodoneja. Osoitamme, että Jukesin primitiivinen geneettinen koodi voidaan toteuttaa geneerisillä koodoneilla, jotka ovat pituudeltaan neljän pituisia. Seuraavassa kuvauksessa käytämme termiä koodoni tarkoittamaan pituudeltaan neljän pituisia koodoneja tai tetrakodoneja. Jukesin koodissa on 15 aminohappoa, joiden degeneraatio on 4, yksi aminohappo, jonka degeneraatio on 2, ja kaksi stop-kodonia. Kaiken kaikkiaan on 15 elementtiä, joiden degeneraattisuus on 4, ja 2 elementtiä, joiden degeneraattisuus on 2. Jos oletamme, että tämä koodi on peräisin neljän nukleotidin pituisista koodoneista, tämä tarkoittaa, että voidaan valita 17 elementtiä/aminohappoa, jotka voidaan koodata joko kahdella tai neljällä koodonilla, jotka otetaan 44 = 256 koodonin joukosta. Huomattakoon, että 256 koodonin joukko voidaan jakaa 32 koodonin osajoukkoon, jolla on joitakin symmetrioita (nämä vastaavat taulukon 1 tessera-koodin kahta ensimmäistä saraketta), ja 224 koodonin osajoukkoon, jolla ei ole symmetriaa. Kuten edellä on esitetty, symmetriset koodonit vastaavat aminohappoja, joiden degeneraatio on 2, kun taas epäsymmetriset koodonit vastaavat aminohappoja, joiden degeneraatio on 4. Jos oletetaan, että koodonien ja aminohappojen välillä on satunnainen mekanismi, suurimman todennäköisyyden omaava degeneraatiojakauma vastaa täsmälleen Jukesin koodin jakaumaa. Olemme osoittaneet tämän sähköisessä lisämateriaalissa B. Jukes olettaa, että yksi degeneraation 2 elementeistä liittyy stop-signaaliin. Tällä valinnalla stop-kodonit ovat vähemmän alttiita satunnaisvirheiden aiheuttamille virheille, eli nämä elementit ovat vähemmän monitulkintaisia kuin ne, joiden degeneraatio on 4. Samoin on luonnollista olettaa, että toinen elementti, jolla on degeneraatio 2, vastaa aminohappoa, joka koodaa aloitussignaalia.

Olemme osoittaneet, että primitiivinen koodi (Jukesin versio) kuvataan luontevasti pituudeltaan 4:n pituisilla koodoneilla. Seuraavaksi kuvaamme mahdollisen evoluutiopolun, joka johtaa Jukesin koodista tessera-koodiin. Lähestymistavassa primitiivinen koodi koostuu kahdesta parista symmetrisiä koodoneja ja 60 epäsymmetrisestä koodonista. Huomattakoon, että symmetristen koodonien valinta, koska ne ovat vähemmän alttiita pistemutaatiovirheille, on ensimmäinen askel tessera-joukon symmetrisen puoliskon valinnassa. Oletetaan, että uusi adaptori, jolla on symmetrinen antikodoni, ilmestyy ja kilpailee (kuljettaa samaa aminohappoa) olemassa olevan adaptorin kanssa, jolla on epäsymmetrinen antikodoni. Uusi adaptori voi sitoutua symmetrisiin koodoneihin, jotka ovat osa tesserasarjaa (taulukon 1 kaksi ensimmäistä saraketta). Tällaisella adaptaattorilla on evolutiivinen etu verrattuna adaptaattoriin, jolla on epäsymmetrinen antikodoni, koska sillä on kaksi erilaista tilakokoonpanoa, joita voidaan käyttää sitoutumiseen koodonin kanssa. Esimerkiksi kuvassa 2 esitetty adaptaattori kantaa palindromista antikodonia AUUA. Jos adaptori käännetään päinvastaiseksi, se voi silti sitoutua koodoniin/tesseraaliin UAAU. Tämä valintapaine aiheuttaa kaikkien symmetristen koodonien (tetrakodonien)/tessereiden kiinnittymisen epäsymmetristen koodonien kustannuksella. Tämän prosessin lopussa meillä on koodi, joka koostuu 32 symmetrisestä tesserasta ja 32 epäsymmetrisestä tetrakodonista, jotka eivät välttämättä kuulu tesserasarjaan. Tässä vaiheessa päästään vielä optimointivaiheeseen valitsemalla epäsymmetriset tesseraalit: kuten kohdassa osoitetaan, tesseraalit ovat immuuneja pistemutaatioille4 ja siten selviytyvät muista kuin tesseraalitetrakodoneista dekoodaustarkkuuden evolutiivisen paineen vuoksi. 32 symmetristä tesseraalia ovat immuuneja pistemutaatioille (tarvitaan kaksi samanaikaista, erittäin epätodennäköistä pistemutaatiota, jotta kahden tesseraalin välinen siirtymä tapahtuisi). Tämä tarkoittaa, että vastaavat tRNA:t eivät johda tunnistamattoman aminohapon sisällyttämiseen, jos niihin kohdistuu pistemutaatio. Tämä virheiden havaitsemisen ominaisuus merkitsee evolutiivista etua proteiinisynteesin tarkkuuden kannalta. Loput 32 epäsymmetristä tetrakodonia eivät välttämättä ole tetrakodoneja, mutta niillä, jotka ovat tetrakodoneja, on virheettömyyden ominaisuus, joten ne valikoituvat vähitellen edellä mainituista syistä. Näin ollen saamme täydellisen rakenteen tesseraalista esi-varhaiskoodia, jonka degeneraatiojakauma on yhteneväinen varhaiskoodin (ja nykyisten selkärankaisten mitokondriokoodin) kanssa.

Olemme osoittaneet, että siirtymä Jukesin koodin ja tesseraalisen koodin välillä on minimaalisten olettamusten vallitessa kaikkein todennäköisin. On selvää, että tässä siirtymässä tessera-tunnuksesta tulee spesifisempi kuin Jukesin koodin tetrakodon-tunnuksesta. Tessera-koodin virheentunnistusominaisuuden ansiosta voidaan vähentää tetrakodon-adapterien aminohappolataukseen liittyvää epäselvyyttä. Tessera-tunnistuksen lisääntynyt tarkkuus puolestaan mahdollistaa aminohappojen valinnan tarkentamisen proteiinien suorituskyvyn evolutiivisen paineen vuoksi.

Hypoteesimme tessera-koodista esi-alkuisena koodina merkitsee myös toista merkittävää evolutiivista siirtymää, eli siirtymää tessera-koodin ja varhaisen koodin välillä. Koska varhaisessa koodissa oletetaan olevan kolmipituisia koodoneja, tämän siirtymän aiheuttama suurin ongelma liittyy koodonin pituuden muutokseen, jota pidetään yleisesti haitallisena . On huomattava, että i) minkä tahansa koodin alkuperää koskevan teorian, jossa koodonin pituus on eri kuin kolme, on kohdattava tämä ongelma ja ii) tällainen siirtymä on haitallinen, kun saavutetaan evoluutiotaso, jolla koodi on jähmettynyt, koska se merkitsee dramaattista muutosta organismin kaikkien proteiinien aminohappojen sekvenssissä; näin ei kuitenkaan välttämättä ole aikaisemmilla evoluutioasteilla, jotka ovat lähempänä koodin alkuperää. Tessera-koodin avulla voidaan löytää siisti ratkaisu ongelmaan, joka koskee siirtymistä tetrakodoneista koodoneihin. Itse asiassa tessera-sarjan sisältämä informaatio on redundanttia. Määritelmän mukaan, jos tessera-koodin neljästä kirjaimesta tiedetään kolme, puuttuva kirjain voidaan johtaa yksiselitteisesti. Näin ollen koodausteorian näkökulmasta tessera-koodi ja mikä tahansa kolmen nukleotidin geneettinen koodi sisältävät saman informaatiosisällön. Tämä merkitsee sitä, että tesseraalien ja koodonien välille voidaan luoda yksi yhteen -kuvio. Tällaisen kartoituksen olennainen rakenne merkitsee sitä, että tessera-koodin vierekkäisten kirjainten väliset muunnokset muuttuvat koodonin nukleotideiksi. Esimerkiksi tessera b1b2b3b4:n tapauksessa vierekkäisten kirjainten välillä voi olla kolme kemiallista muunnosta: t12 = f(b1b2) b1:n ja b2:n välillä, t23 = f(b2b3) b2:n ja b3:n välillä ja t34 = f(b3b4) b3:n ja b4:n välillä. Huomaa, että vain kaksi näistä kolmesta muunnoksesta on riippumattomia, koska t34 = t12. Taulukossa 4a on järjestetty tessera-koodi uudelleen muunnoksen t12 (rivit) ja t23 (sarakkeet) mukaisesti. Ehdotamme, että t12 ja t23 liitetään koodonin ensimmäiseen ja toiseen nukleotidiin (x1, x2). Tämä vastaavuus on esitetty taulukossa 3. Lisäksi neljäs kirjain b4 liitetään koodonin x3 kolmanteen nukleotidiin. Kaavamainen esitys kartoituksesta on esitetty kuvassa 5. Huomattakoon, että tämän kartoituksen mukaan tesserasarjan sarakkeet kartoitetaan geneettisen koodin sarakkeisiin siten, että t23 = I kartoitetaan NAN-kodoneihin (degeneraatio ei-4) ja t23 = KM kartoitetaan NCN-kodoneihin (koostuvat vain perheistä); vertaa taulukkoa taulukko44b ja taulukkoa 4c. Voimme havaita, että näillä kahdella tessera-koodin sarakkeella on sama degeneraatio kuin geneettisen koodin vastaavilla sarakkeilla (joko 4 tai 2 + 2). Kartoituksen luonnollisen täydennyksen mukaan t23 = SW on NUN-koodoneille ja t23 = YR on NGN-koodoneille. Kahdessa jälkimmäisessä tapauksessa on otettava huomioon eräät poikkeukset, jotka johtuvat siitä, että siirryttäessä tessereistä koodoneihin Rumerin symmetria todellakin säilyy, mutta itsekomplementaarinen symmetria ei säily. Tessera-antitessera-vuorovaikutus on spesifisempi kuin kodoni-antikodoni-vuorovaikutus, mikä johtuu neljän Watson-Crickin kaltaisen kemiallisen sidoksen olemassaolosta. Nykyisen geneettisen koodin tapauksessa degeneraatio määräytyy kuitenkin pääasiassa kahden ensimmäisen emäksen koodonin ja antikodonin vuorovaikutuksen perusteella. Näin ollen olettamalla, että sidosenergia on ennen varhaiskoodiaikana verrattavissa Watson-Crickin sidosenergiaan, tessera-antitessera-vuorovaikutuksen energian pitäisi olla noin kaksinkertainen todelliseen kodoni-antikodoni-energiaan verrattuna.

Siten biokemiallisesta näkökulmasta katsottuna siirtyminen tesseraaleista koodoneihin merkitsee siirtymistä tesseraalien lukemisessa käytettävästä täydestä neljän emäksen pituisesta spesifisestä Watson-Crickin kaltaisesta parituksesta koodonien lukemisessa käytettävästä wobblestrategiasta.

Erityisesti tämä merkitsee teoreettisia rajoitteita joillekin symmetriaominaisuuksille, jotka esiintyvät tessereiden maailmassa, mutta joita ei ole olemassa olevissa koodeissa, esimerkiksi itsekomplementaarisen symmetrian menetys. Tessera-koodin jokaisella sarakkeella on nimittäin tietty degeneraatio, mutta nykyisissä koodeissa tämä pätee vain kahteen sarakkeeseen, eli koodoneihin, jotka ovat tyyppiä NMN (NAN tai NCN). Sen sijaan sarakkeilla, jotka vastaavat koodoneja NKN (NUN tai NGN), on sekamuotoinen rappeutuneisuus; erityisesti näiden kahden koodin väliset eri kvadrantit ovat koodeja, jotka ovat tyyppiä SUN ja WGN (kutsumme WSN:ää tai SWN:ää sekamuotoisiksi, toisin kuin ei-sekamuotoista SSN:ää WWN). Toisin sanoen olemassa olevissa koodeissa on WGN-tyyppisiä koodoneja, jotka koodaavat aminohappoja degeneraatiolla 2 huolimatta siitä, että keskusemäs on vahva, ja SUN-tyyppisiä koodoneja, jotka koodaavat aminohappoja degeneraatiolla 4 huolimatta siitä, että keskusemäs on heikko .

Tällaisten piirteiden selittämistä koodonin ja antikodonin välisen vuorovaikutuksen stereokemiallisesta luonteesta riippuvilla energeettisillä rajoitteilla ehdotetaan teoksessa , jossa esitetään selitys tällaisille ominaisuuksille. Nykyisissä geneettisissä koodeissa heikko vuorovaikutus liittyy tavallisesti degeneraattisuuteen 2+2. Tämä pätee NAN-, AUN- ja UUN-tyyppisiin koodoneihin. Jos kuitenkin U on toisena kirjaimena, tRNA:n antikodonisilmukassa olevan puriinin keskuskirjaimen N35 lisävakauttaminen U33:n avulla mahdollistaa täydellisen perheen lukemisen N35:n heikosta luonteesta huolimatta.5 Peilitapauksessa AGN- ja UGN-tyyppisten koodonien kohdalla U33 ei ole riittävästi vakauttanut nukleotidia N35:tä, ja siihen liittyvästä kvartetista tulee degeneroitunut 2 + 2.

Nämä wobble-strategian rajoitukset merkitsevät sitä, että tessereiden ja koodonien välisessä kartoituksessa kvadrantti (YR-SW) vaihdetaan kvadranttiin (SW-YR) ja kvadrantti (KM-SW) kvadranttiin (I-YR); ks. taulukko 4 (ylemmät paneelit). Lopulta tesseran neljäs kirjain yhdistetään koodonin kolmanteen kirjaimeen seuraavalla poikkeuksella, joka takaa oikean ryhmittelyn: jos b4 = K (T tai G), x3 = KM(b4), eli T ja G vaihdetaan, muuten x3 = b4. Huomaa, että kartoitus ei välttämättä ole yksikäsitteinen; parhaan tietämyksemme mukaan tämä kuitenkin osoittaa, että on mahdollista siirtyä tessera-koodista olemassa olevaan koodiin kuvaamalla kaikki jälkimmäisen tunnetut degeneraatio-ominaisuudet.

Jos alun perin proteiinien koodaukseen kuului yli kolme emästä pitempiä koodoneja, käännöskoneiston pitäisi kantaa mukanaan jonkinlaista muistia tästä. Nykyisten ribosomien pienessä alayksikössä on nimittäin rakenteellinen vapaus, joka voisi sallia ylimääräisen nukleotidin sisällyttämisen dekoodauskeskukseen niin, että neljän emäksen koodonien dekoodaus olisi mahdollista. Huomattakoon, että esi-isien mahdollisuus koodata neliportaisilla koodeilla mainittiin jo vuonna . Neliportainen dekoodaus löydettiinkin vuonna 1973 frameshift-suppression mekanismina, ja nykyään sitä käytetään laajalti biotekniikan sovelluksissa ei-kanonisten aminohappojen sisällyttämiseksi proteiineihin. Lisäksi laboratoriossa on osoitettu, että pituudeltaan neljän koodonin ja niitä purkavan ortogonaalisen ribosomin biologinen toteutettavuus on mahdollista . Lisäksi on olemassa todisteita, jotka viittaavat tetrakodonien koodaamien päällekkäisten geenien olemassaoloon ; lisäksi on osoitettu, että tetrakodoneilla on tärkeä rooli fylogeneettisessä analyysissä, (esim. ) ja tämä voi olla osoitus geneettisestä muistista.

Nykykoodeissa on säilynyt vaikuttava määrä tetrakodonien ominaisuuksia. Varhainen koodi ja kaikki sen jälkeläiset perivät tessera-koodilta koodien lukumäärän (64 tesseraa tuottaa 64 koodonia) ja aminohappojen enimmäismäärän (23). Tessera-koodi mahdollistaa 24 alkuaineen/aminohapon koodaamisen. Koska vähintään yhden näistä on edustettava stop-signaalia, edustettavien aminohappojen teoreettinen enimmäismäärä on 23. Huomionarvoista on, että yksikään olemassa oleva koodi ei ylitä tätä rajaa, ja joidenkin genomien suoraan koodaamien aminohappojen enimmäismäärä on täsmälleen 23: 20 vakioaminohappoa ja kaksi epätyypillistä aminohappoa (selenokysteiini ja pyrrolysiini) sekä vaihtoehtoinen aloittava aminohappo N-formyylimetioniini muodostavat yhteensä 23 aminohappoa. Lisäksi selkärankaisten mitokondrioiden geneettisessä koodissa käytettävien adapterien määrä on 22: kahdeksan tRNA:ta, jotka tunnistavat kukin neljä koodonia, 14 tRNA:ta, jotka tunnistavat kukin kaksi koodonia, ja kaksi paria koodoneja, jotka eivät liity aminohappoihin . Huomionarvoista on, että 22 on absoluuttinen minimi, joka on havaittu kaikissa tunnetuissa geneettisen koodin versioissa. Tämä on myös täsmälleen se rakenne, jonka tesseraalimalli antaa ymmärtää: kahdeksan degeneroituneisuutta 4 omaavaa alkuadapteria ja 16 degeneroituneisuutta 2 omaavaa adaptaattoria muodostavat 24 adaptaattorin joukon; jos hylkäämme kaksi stop-kodoneille osoitettua degeneroituneisuutta 2 omaavaa adaptaattoria, saamme täsmälleen 22.

Selkärankaisten mitokondrioiden geneettisellä koodilla ja tesseraalipohjaisella mallillamme varhaiskoodista on myös useita symmetriaan liittyviä yhteisiä piirteitä (esim. taulukko 5). Ensinnäkin koodonin ensimmäiseen dublettiin sovellettava KM-muunnos, joka tunnetaan myös nimellä Rumerin muunnos, muuttaa vastaavan aminohapon degeneraatiota. Tämä universaali ominaisuus on havaittavissa useimmissa tunnetuissa geneettisen koodin versioissa (sekä ydin- että mitokondriokoodissa). Myös tessera-koodilla on tämä ominaisuus. Esimerkiksi tessera AUUA vastaa aminohappoa, jonka degeneraattisuus on 2, ja jos sovellamme KM-muunnosta kahteen ensimmäiseen nukleotidiin, saamme tessera CGUA:n, joka vastaa aminohappoa, jonka degeneraattisuus on 4. Tämän vuoksi tessera AUUA vastaa tessera CGUA:ta. Huomattakoon, että tämä ominaisuus pätee myös, jos sovellamme Rumerin muunnosta t12t23 edellä kuvattuun tesserat ja koodonit yhdistävään kartoitukseen. Lisätietoja on kohdassa .

Toinen tesseraalikoodin perustavanlaatuinen piirre on, että proteiinin koodaus voidaan tehdä kestäväksi +1-kehyssiirtymille. Kehyksen säilymisen robustisuus voi liittyä myös sirkulaarisiin koodeihin, joilla on oletettu olevan rooli kehyssynkronoinnin prosesseissa . Universaalin ympyräkoodin ominaisuuden olemassaolo on liitetty geneettisen koodin syntyyn komplementaaristen koodonien pareina, jotka koodaavat joko samaa tai samankaltaista aminohappoa . Samaa olettamusta on tuettu myös muissa yhteyksissä . Tämä ominaisuus syntyy luonnollisesti tesseraalikoodissa, jossa tessera ja sen käänteiskomplementti koodaavat aina samaa aminohappoa.