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3 進化的意味合い

我々の知る限り、テッセラ暗号は祖先の暗号における縮退の起源について初めて定量的に説明したものである。 そのため、遺伝暗号の進化を説明する上で関連性があるかもしれない。 本稿の後半では、テッセラコードが進化上持ちうる意味を分析する。 この目的のために、現存するミトコンドリアにおける翻訳の分析に基づいて渡辺&横堀が提示した進化仮説を思い出す（図4より引用）。 図4は、原始的な遺伝暗号から現在の変異体への進化のステップを表す、ある程度同意の得られるマイルストーンを示している。 現存する遺伝暗号から出発し、時間を遡っていくと、最初のマイルストーン、すなわちLUCAの普遍遺伝暗号に行き着く。 このコードは、現在の核標準遺伝暗号と似た構造を持っていると仮定される。 現存するコードの中で最も単純なものは脊椎動物のミトコンドリア遺伝コードであり、主にこの理由から、LUCAコードの前身である初期コード（図4で右から2番目のマイルストーン）のモデルとして提案されている。 初期コードから普遍コードへの移行が意味する主な進化的新機軸は、tRNAの転写後修飾の登場である。 このことは、現存するメタゾーンのミトコンドリアの一部では、アンチコドンの1位のUがコドンの3位のすべての塩基と対になることができることからも裏付けられている … これにより、修飾ヌクレオチドを必要とせずにコドンのファミリーを解読することができる（ファミリーとは、最初の2塩基を共有し、同じアミノ酸をコードする4つのコドンのグループである）。 渡辺 & 横堀の提案では、初期コドンは、アミノ酸の数が少なく、より退化した原始的なコード、すなわちジュークス・コードから派生したものである、とされている。 このようなコードは、縮退度2である1つのアミノ酸とストップシグナルを除くファミリー、すなわち2つのコドンでコードされるものだけで形成されると考えられる。

さて、我々の主な主張は、テッセラコードが初期コードの祖先、すなわち原始コードと初期コードの間に位置するプレ初期コードを示すということである。 テッセラコードが前初期コード（図4の四角いマイルストーン）であることを支持する論拠がいくつかある。 まず第一に、初期遺伝暗号と全く同じ縮退構造を持っていることである。 さらに、テッセラ暗号は、長いオリゴヌクレオチドが暗号の起源で、その後、最適な3個に達するまでコドン長が減少したとするBaranovらの仮説と一致する。 実際、Jukesの原始的な遺伝暗号は長さ4の一般的なコドンで実装できることを示す。 以下の説明では、コドンという言葉を長さ4のコドンまたはテトラコドンという意味で使用する。 Jukesのコードは、縮退4のアミノ酸が15個、縮退2のアミノ酸が1個、停止コドンが2個である。 このコードが4ヌクレオチドのコドンに由来すると仮定すると、44=256個のコドンの集合から2個または4個のコドンでコード化できる17個の要素/アミノ酸が選択されることになる。 256個のコドンの集合は、何らかの対称性を持つ32個のコドンの部分集合（表1のテッセラコードの最初の2列に相当）と対称性のない224個のコドンの部分集合に分割できることに注意してください。 上に示したように、対称コドンは縮退度2のアミノ酸に対応し、非対称コドンは縮退度4のアミノ酸に対応する。 ここで、アミノ酸へのコドンの割り当てにランダムな機構を仮定すると、最も確率の高い縮退分布はJukesのコードと正確に対応することになる。 Jukesは縮退2の要素の1つを停止信号に関連付けると仮定している。 この選択により、停止コドンはランダムエラーによって生成されにくくなり、すなわちこれらの要素は縮退4のものよりも曖昧さが少なくなる。 同様に、縮退度2のもう一つの要素は、開始信号をコードするアミノ酸に対応すると仮定するのが自然である。

Jukes の原始コード（Jukes 版）が長さ4のコドンによって自然に記述されることを示した。 我々のアプローチでは、原始符号は2組の対称コドンと60個の非対称コドンから構成される。 対称コドンは点突然変異を起こしにくいので、テッセラコードの対称性の半分を選択するための最初のステップであることに注意。 対称的アンチコドンを持つ新しいアダプターが現れ、非対称的アンチコドンを持つ既存のアダプターと競合（同じアミノ酸を運ぶ）したとする。 この新しいアダプターは、テッセラセット（表1の最初の2列）の一部である対称コドンに結合することができる。 このようなアダプターは、非対称アンチコドンを持つアダプターよりも進化的に有利である。なぜなら、コドンとの結合に利用できる空間配置が2種類あるからである。 例えば、図2のアダプターは回文アンチコドンAUUAを搭載している。 このアダプターを逆さにすると、コドン／テッセラUAAUに結合することができる。 この選択圧により、非対称コドンを犠牲にして、すべての対称コドン（テトラコドン）／テッセラが捕捉される。 このプロセスの最後に、32個の対称的なテッセラと、必ずしもテッセラセットに属さない32個の非対称的なテトラコドンからなるコードが得られる。 このとき、非対称テッセラを選択することで、さらなる最適化のステップに到達する。 , テッセラは点変異4に対して免疫があるため、復号精度の進化的圧力により、非テッセラのテトラコドンに対して生き残ることができる。 32個の対称的な四角形は点突然変異の影響を受けない（二つの四角形の間の移行を生み出すには、同時に二つの、非常に起こりにくい点突然変異が必要である）。 つまり、対応するtRNAが点突然変異を受けても、認識できないアミノ酸の取り込みには至らないということである。 このエラー検出の特性は、タンパク質合成の精度という点で、進化的に有利であることを意味している。 残りの32個の非対称テトラコドンは必ずしも四角形ではないが、四角形であるものはエラー免疫の性質を持っているので、上記の理由により徐々に選択されることになるだろう。 したがって、縮退分布が初期コードと（現存する脊椎動物のミトコンドリアコードと）一致するテッセラ前初期コードの完全な構造が得られた。

Jukes’ codeとテッセラコードの間の移行が最小限の仮定で最も可能性が高いことを示した。 明らかに、この遷移において、テッセラ認識はJukes’コードのテトラコドン認識よりも特異的になる。 実際、テッセラコードの誤り検出の特性により、テトラコドンアダプターのアミノ酸ローディングに関する曖昧さを低減することが可能である。 さらに、テッセラコードの認識精度の向上により、タンパク質性能の進化的圧力によるアミノ酸の選択を洗練させることが可能となった

テッセラコードを前早期コードとする我々の仮説は、もう一つの大きな進化の推移、すなわちテッセラコードと初期コードの間の推移も示唆している。 すなわち、テッセラコードと初期コードの間の移行である。初期コードには長さ3のコドンがあるはずなので、この移行が意味する大きな問題は、一般に有害とされるコドン長の変化に関連するものである。 (i)コドンの長さが3つでないコードの起源に関するいかなる理論もこの問題に直面しなければならない。(ii)コードが凍結した進化レベルに達したとき、これは生物のすべてのタンパク質のアミノ酸配列の劇的変化を意味するので、この移行は有害であるが、コードの起源により近い以前の進化段階では必ずしもそうでないことに注意する必要がある。 テッセラ暗号は、テトラコドンからコドンへの移行という問題に対して、きちんとした解決策を見出すことを可能にする。 実は、テッセラセットが担う情報は冗長である。 定義によれば、テッセラの4文字のうち3文字が既知であれば、足りない文字は一意に導き出すことができる。 従って、符号化理論の観点からは、テッセラコードと3塩基の遺伝暗号は同じ情報量を持つことになる。 このことは、テッセラとコドンの間に一対一の対応関係が成立することを意味する。 このマッピングの本質的な構造は、テッセラの隣接する文字間の変換がコドンのヌクレオチドになることを意味する。 具体的には、b1b2b3b4というテッセラがあった場合、隣接する文字間の化学変換は、b1とb2間でt12 = f(b1b2)、b2とb3間でt23 = f(b2b3)、そしてb3とb4間でt34 = f(b3b4) という3つが可能である。 なお、t34 = t12なので、これら3つの変換のうち2つだけが独立である。 表4aでは、変換t12（行）とt23（列）に従ってテッセラコードを並べ替えたものである。 t12とt23はそれぞれコドンの1番目と2番目のヌクレオチド（x1, x2）にマッピングされることを提案する。 この対応付けを表3に示す。 さらに、4番目の文字b4はコドンの3番目のヌクレオチドx3にマッピングされる。 この対応付けを模式的に表したものが、図5である。 この対応付けによれば、テッセラセットの列は、t23＝IがNANコドン（縮退非4）に、t23＝KMがNCNコドン（ファミリーのみで構成）に対応付けられるように遺伝コードの列に対応付けられることに注意されたい（表表44bと表4cを比較されたい）。 テッセラコードのこの2列は、遺伝コードの対応する列と同じ縮退（4または2＋2）を持つことが観察される。 このマッピングの自然な完成は、t23 = SWをNUNコドンに、t23 = YRをNGNコドンに割り当てることである。 後者の2つの割り当ては、四角形からコドンへの移行において、ルメールの対称性は確かに保たれるが、自己相補的対称性は保たれないという事実によって決まるいくつかの例外を説明する必要がある。 テッセラとアンチテッセラの相互作用は、4つのワトソン・クリック的化学結合の存在により、コドン-アンチコドン間よりも特異的である。 しかし、現存する遺伝暗号の場合、縮退は主に最初の2塩基のコドン-アンチコドン相互作用によって決定される。 したがって、コード時代以前の結合エネルギーがワトソン・クリックと同等であると仮定すれば、テッセラ-アンチテッセラ相互作用エネルギーは実際のコドン-アンチコドンエネルギーのおよそ2倍になるはずである。