ЧАСТЬ В. РЕАЛИСТИЧЕСКИЙ ГИПЕРЦИКЛ

Предлагаемая модель «реалистического гиперцикла» тесно связана с молекулярной организацией примитивного аппарата репликации и трансляции. Гиперциклическая организация обусловливает селективную стабилизацию и эволюционную адаптацию всех гено- и фенотипических компонентов функционально связанного ансамбля. Она зарождается в форме молекулярного квазивида и усложняется в ходе эволюции путем мутаций и дупликаций генов. Ее первоначальная структура, по-видимому, отражается в установлении соответствия между кодонами и аминокислотами, в гомологии последовательностей тРНК, в двойных ферментативных функциях репликации и трансляции и в структурной и функциональной организации генома прокариотической клетки.

XI. Как могла зародиться трансляция?

«Общеизвестно, что возникновение белкового синтеза представляло собой очень трудную проблему. Мы имеем в виду не образование компонентов со случайной последовательностью, а синтез полипептидов, направляемый хотя бы в общих чертах матрицей — молекулой нуклеиновой кислоты, и имеющий такую природу, благодаря которой постепенно, шаг за шагом, в ходе эволюции сформировался современный генетический код, выражение которого сейчас требует наличия сложного аппарата активирующих ферментов, транспортных РНК, рибосом, различных факторов и т. д.».

Предмет нашего обсуждения трудно охарактеризовать более четко, чем этими вводными словами из

недавней статьи Крика, Бреннера, Клуга и Печеника [3].

Допустим на время, что примитивный аппарат репликации и трансляции, функционирующий с надлежащей точностью и адаптированный к достаточно богатому алфавиту молекулярных символов, возник в результате какого-то процесса, который далее не конкретизируется, например в результате самоорганизации или некоего акта творения, в природе или в лаборатории. Допустим, далее, что имеется среда, которая поставляет все активированные высокоэнергетические вещества, необходимые для синтеза таких макромолекул, как нуклеиновые кислоты и белки, для того чтобы репликация и трансляция могли быть спонтанными процессами, т. е. поддерживались бы положительным сродством. Мог ли такой ансамбль, каким бы путем он ни возник, продолжать эволюционировать как дарвиновская система? Другими словами, могла ли такая система неопределенно долго сохранять заложенную в нее первоначально информацию и совершенствовать ее дальше, пока не была бы достигнута максимальная функциональная эффективность?

Чтобы конкретизировать ситуацию, рассмотрим модель, изображенную на рис. 45. Плюс-цепи данного множества молекул РНК несут информацию для синтеза соответствующего числа молекул белков. Продукты трансляции могут выполнять по меньшей мере следующие функции: 1) Один белок играет роль РНК-полимеразы, подобной тем специфичным репликазам, которые связаны с различными РНК-содержащими фагами. Ее сайт узнавания адаптирован к специфической последовательности или структуре, имеющейся у всех плюс- и минус-цепей РНК; другими словами, она эффективно воспроизводит лишь те молекулы РНК, которые идентифицируются как члены определенного ансамбля. 2) Другие продукты трансляции функционируют как активирующие ферменты — они специфически узнают различные аминокислоты и присоединяют их к соответствующим адапторным РНК, каждая из которых несет

Рис. 45. Простейшая модель примитивной трансляции включает информационную РНК . которая кодирует репликазу адаптированную к специфическому узнаванию последовательностей . Плюс-цепи кодируют четыре сннтетазы а минус-цепи могут быть адапторамн для четырех аминокислот. Такая система, хотя она и включает в себя все функции, необходимые для трансляции и самовоспроизведения, является неустойчивой из-за внутренней конкуренции. Если не стабилизируются гиперцнклической связью, то согласованная эволюция невозможна.

определенный антикодон. Число разных аминокислот и, следовательно, адаптеров выбрано так, чтобы оно равнялось числу различных кодонов, встречающихся в информационных последовательностях, т. е. в плюс-цепях РНК, с тем, чтобы в результате получилась «замкнутая» система трансляции с определенным кодом. Она не обязательно должна включать полный генетический код в его современном виде, а может ограничиваться меньшим, но функционально достаточным числом аминокислот (например, четырьмя), используя определенные ограничения, наложенные на структуру кодонов, чтобы гарантировать однозначное считывание. В качестве адаптеров можно использовать минус-цепи молекул РНК, или — если это условие окажется слишком жестким — адаптеры можно ввести вместе с другими компонентами (например, с рибосомами) как постоянные факторы среды, подобные тем бактериальным факторам, которые обеспечивают репликацию фага и трансляцию в клетке-хозяине.

Рис. 46. Интегральные кривые для системы дифференциальных уравнений, имитирующих модель, изображенную на рис. 45. В этом частном случае предполагается, что начальные концентрации и автокаталитические константы скорости воспроизведения линейно растут при переходе от 10 к 14, тогда как значения других параметров — констант скоростей трансляции параметров, определяющих выбор аминокислот стабильностей фермент-субстратных комплексов одинаковы для всех партнеров реакций. Кинетические кривые для относительных чнсленностей популяций отражают конкурентность поведения. Наиболее эффективно воспроизводящаяся матрица ( в коице концов становится доминирующей Однако из-за того, что репликация (представленная ) и трансляция прекращаются, 14 тоже вымирает. Вся популяция обречена на гибель

С первого взгляда может показаться, что система, изображенная на рис. 45, в достаточной степени насыщена функциональными перекрестными связями: все каталитически поддерживаются репликазой эта репликаза в свою очередь обязана своим существованием совместному действию ферментов трансляции без которых она не смогла бы транслироваться с 10. Ферменты для своего воспроизведения используют, конечно, эту же функцию трансляции, но поскольку они являются

Рис. 47. В этой альтернативьой модели примитивной репликации и трансляции предполагается, что ферменты выполняю двойную функцию, т. е. что они играют роль специфичных плнказ для своих собственных мРНК и синтетаз при выбору четырех аминокислот. Судьба системы такая же, что и на рис. 455 поскольку информационные РНК сильно конкурируют друг с другом.

продуктами трансляции то в конечно счете зависят также от или соответственно от 10.

Детальный анализ показывает, однако, что имеющихся связей недостаточно, чтобы гарантировать взаимную стабилизацию различных генотипических компонентов Общей репликазной функции и общей трансляционной функции во всех дифференциальных уравнениях соответствует один и тот же член. Поэтому эти уравнения сводятся к уравнениям для несвязанных конкурентов, умноженным на общую функцию времени Из-за внутренней конкуренции система, которая сначала функционирует очень хорошо, обречена на распад. Типичный набор интегральных кривых, полученных численным интегрированием кинетических уравнений, приведен на рис. 46.

Другой пример такого же рода представлен На рис. 47. Здесь все мРНК производят свои специфические репликазы которые выполняют также синтетазные функции И снова этой связи

через соответствующую трансляционную функцию оказывается недостаточно для стабилизации ансамбля. На наш вопрос — является ли наличие системы информационных РНК для репликазной и трансляционной функций и продуктов трансляции достаточным для их существования и эволюции — ответить следует так: если не введена связь определенного типа между различными репликативными компонентами то такие системы будет неустойчивы, несмотря на то что они обладают всеми свойствами, необходимыми для репликации и трансляции. Даже если бы все партнеры были селекционно эквивалентны (или почти эквивалентны) и, следовательно, могли бы сосуществовать некоторое время (в зависимости от размеров их популяций), они не смогли бы эволюционировать взаимно контролируемым образом и, следовательно, никогда не были бы способны оптимизировать свое функциональное взаимодействие. В конце концов они обязательно распадались бы, потому что случайная селекционная эквивалентность не может согласованно поддерживаться на протяжении длительных периодов эволюции, если она не подкреплена определенными связями.

Этот ответ не вызовет удивления, если учесть результаты части Б. Более тщательный анализ связей, обусловленных функционированием ферментов репликации и трансляции, не обнаруживает никакой гиперциклической структуры. Поэтому эти связи не могут обеспечить взаимную регуляцию величин популяционных переменных, которая необходима для согласованной эволюции членов организованной системы. Связи, имеющиеся в этих двух изученных системах, можно свести к двум общим функциям, которые, подобно факторам среды, действуют на всех партнеров совершенно одинаковым образом и, следовательно, не предоставляют никакой возможности для взаимного контроля.

Рассмотренные выше примеры иллюстрируют те положения, которые мы хотели подчеркнуть в данном разделе:

1. На ранних этапах эволюции, пока точность репликации и трансляции была низка и концентрации эффективно реплицирующихся единиц малы, гиперциклическая организация давала большое относительное преимущество над любой другой формой (структурной) организации (разд. XV).

2. Действительно, удается построить такие гиперциклические модели, которые можно считать реалистическими предшественниками аппарата воспроизведения и трансляции современных прокариотических клеток (разд. XVI).

Как представить возникновение трансляции, если допустить существование воспроизводимых молекул РНК, имеющих размеры тРНК, и наличие предпосылок для синтеза белков в примитивной форме, с использованием ограниченного числа (достаточно распространенных) аминокислот?