XV. Гиперциклическая организация раннего аппарата трансляции

Любая модель эволюции раннего кода и аппарата трансляции должна удовлетворять условиям, в которых тРНК-подобные адапторы и предшественники генов (или информационных РНК) для различных ферментативных факторов могли бы не только сосуществовать, но и согласованно развиваться и эволюционировать к оптимальному функционированию. В частях было показано, что такая самоорганизация требует наличия циклически замкнутых реакционных связей между всеми партнерами, если только они не могут структурно интегрироваться в одну репликативную единицу. В этом разделе мы попытаемся показать, как реалистические модели кода связаны с гиперциклической организацией и как такие системы могут эволюционировать. Очевидная проблема, связанная с гиперциклом, — это проблема его возникновения. Предпосылкой гиперциклической организации является, по-видимому, наличие в достаточном количестве всех компонентов гиперцикла. Говоря более научным языком, для возникновения гиперцикла — сети реакций высокого порядка — требуется его «нуклеация» по какому-нибудь механизму высокого порядка.

Рассмотрим для сравнения простую репликативную единицу, численность которой растет по автокагалитическому закону первого порядка. В растворе, содержащем высокоэнергетический строительный материал в определенной концентрации, для начала процесса размножения нужна лишь одна копия. Такие эксперименты проводились с фаговой РНК или с ее неинфекционными вариантами [7, 8, 32, 34, 73]. Одной матричной цепи достаточно, чтобы в течение нескольких минут произвести большую популяцию идентичных копий (см. часть А).

Гиперцикл никогда не мог бы зародиться таким способом. Отдельная матричная копия не станет размножаться, пока в наличии не будет достаточно

большого числа ее специфических каталитических партнеров. Последние в свою очередь кодируются матрицами, которые сами по себе не могли бы размножаться без помощи своих продуктов трансляции. Размножение всех матриц в системе зависит от каталитической поддержки, но число катализаторов не сможет расти, если не размножаются матрицы. Насколько велика вероятность того, что нуклеация произойдет посредством какой-нибудь случайной флуктуации? Допустим, что имеется пробирка с раствора. Константа скорости реакции между макромолекулами, лимитируемая диффузией, имеет порядок Следовательно, в растворе должно содержаться по меньшей мере идентичных копий партнера данной каталитической реакции, чтобы началось размножение матрицы с равным примерно 1 сут. Очень маловероятно, чтобы согласованное функционирование нескольких партнеров могло быть результатом случайного совпадения таких гигантских флуктуаций. Конечно, не исключено, что процессы размножения различных матриц имеют смешанный порядок, т. е. автокаталитические члены первого порядка (в отсутствие ферментов — это размножение матрицы без каталитического содействия других компонент) накладываются на члены катализируемой репликации второго порядка. Тогда гиперциклическая связь станет эффективной лишь после того, как концентрации вырастут до достаточно высокого уровня. Однако система не может знать заранее, которые из многих альтернативных последовательностей, размножающихся по закону автокатализа первого порядка, будут давать полезную информацию для катализаторов, необходимых на более поздних этапах организации.

Существует только один путь решения этой проблемы:

Гиперциклу должна предшествовать система, имеющая высокую природную распространенность, из которой он возникает постепенно, путем мутаций и отбореи

Таким предшественником может быть квазивид, представленный распределением GC-богатых последовательностей. Численность всех членов устойчивого квазивида будет расти, пока их концентрации не станут достаточно велики. Как было показано в разд. XIV, некоторые GC-богатые последовательности могут дать начало трансляции путем установления соответствия между аминокислотами и определенными антикодонами. На этом этапе продукты трансляции на самом деле еще не являются необходимыми для сохранения системы, так что трансляцию пока можно считать игрой проб и ошибок. Если, однако, один из продуктов трансляции создаст преимущество для воспроизведения своей собственной мРНК, то эта мРНК может стать доминирующей в квазивидовом распределении.

Отдельный вид РНК может создать алфавит в лучшем случае из двух аминокислот, если как плюс-, так и минус-цепи действуют как адаптеры для двух комплементарных кодонов (например, GGC и GCC). Если адапторные последовательности достаточно обильны, то с некой конечной вероятностью сосуществующие мутанты будут сопоставлять аминокислоты двум или даже четырем кодонам (включая GAC и GUC для аспарагиновой кислоты и валина), причем, по-видимому, снова используются как плюс-, так и минус-цепи. Все это может произойти еще на стадии квазивида.

Такая система, однако, может эволюционировать только в том случае, если различные виды РНК будут стабилизировать друг друга с помощью своих продуктов трансляции. Обсуждение деталей кодирования, например вопроса о том, могут ли плюс- и минус-цепи данного вида РНК эволюционировать одновременно и тем самым становиться двумя адаптерами для комплементарных кодонов или же плюс-цепь в качестве мРНК кодирует фактор связи, в то время как в качестве адаптера действует только минус-цепь, мы отложим до разд. XVI. Здесь же мы исследуем такую проблему: как из квазивидового

Рис. 52. Два мутантных геиа и 12, кодирующих свои собственные репликазы и могут создавать равноценные связи, приводящие к самоусилению [11, 22] и взаимному усилению [21, 12], благодаря своему близкому родству. Аналогичное поведение может быть свойственно репликазам современных РНК содержащих фагов.

распределения может постепенно сформироваться гиперциклическая организация.

Рис. 52 иллюстрирует возможный путь решения этой проблемы. Допустим, что имеются два мутанта квазивида, присутствующих в достаточно высокой концентрации, плюс- и минус-цепи которых способны действовать как адапторы для (максимум) двух пар аминокислот (например, и которые в то же время могут транслироваться в белок, состоящий из (максимум) четырех видов аминокислот. Если продукты трансляции обладают какой-либо каталитической функцией, благоприятствующей воспроизведению своих мРНК, то мы, вероятно, получим одну из ситуаций, представленных на рис. 52 или 53.

Обе информационные РНК, будучи близкородственными мутантами, кодируют два белка с близкими функциями. Если один из них — специфическая репликаза, то другой будет тоже репликазой, причем каждая из активностей будет усиливать как саму себя, так и вторую активность. Однако может иметь место и специфичность, потому что оба белка не обязательно должны узнавать обе последовательности одинаково хорошо, неродственные же последовательности они вообще не будут узнавать. Две «свои» последовательности имеют специфический сайт связывания

для инициирования репликации. Различия в силе связывания для четырех возможных взаимодействий и 12 могут быть небольшими. Однако эти различия (отмеченные на рисунках разной толщиной линий), какими бы малыми они ни были, будут иметь радикальные последствия, как видно из рассмотрения соответствующих диаграмм особых точек (табл. 17). Мы можем выделить четыре случая:

1. E более благоприятствует чем 12, а более благоприятствует 12, чем (рис. 53, А). Следствие: и I, и 12 гиперциклически усиливаются соответствующими ферментами, что ведет к сильной конкуренции. Выжить может только один из конкурентов, даже если они будут селекционно эквивалентны.

2. Как так и более благоприятствуют чем 12 (рис. 53,Б).

Следствие: I! выходит победителем, а 12 вымирает.

3. Как так и более благоприятствуют 12, чем (рис. 53, В).

Следствие: теперь победителем является вымирает.

4. E более благоприятствует 12, чем более благоприятствует чем 12 (рис. 53, Г).

Рис. 53. Эволюционный принцип для гиперциклов иллюстрируется четырьмя возможными ситуациями, которые возникают благодаря связям между двумя мутантами, представленными на рис. 52. Толстые линии указывают, какие связи являются предпочтительными (каким бы малым ни было это предпочтение). Для устойчивости двучленного гиперцикла требуется, чтобы преобладало взаимное усиление

Таблица 17 (см. скан)

Исследование особых ючек двучленного гиперцикла, представленного на рис. 52, проводилось с использованием упрощенных кинетических уравнений:

Эти уравнения дают три особые точки со следующими собственными значениями:

Можно выделить четыре случая:

Диаграммы особых точек для этих четырех случаев (см. также часть Б):

(см. скан)

Продолжение табл. 17

Единое представление можно получить, если ввести координаты

(см. скан)

Если в кинетические уравнения кроме члена второго порядка ввести линейный автокаталитический член (при этом функция роста принимает следующий вид: то область устойчивого гиперциклического сосуществования двух видов и 12 будет представлять собой полупространство над согнутым листом, координаты которого в трехмерном пространстве параметров будут следующие:

(см. скан)

Следствие: имеет место взаимная гиперциклическая стабилизация и .

Важно отметить, что для такого поведения достаточно малых различий в силе связывания. Поэтому интересно знать, что будет в том случае, когда ведут себя совершенно одинаково в отношении и 12. Здесь мы имеем полную беспристрастность, независимо от того, насколько различаются численности популяций или или могут вымереть вследствие флуктуационной катастрофы, поскольку теперь нет взаимной стабилизации, как это было в случае 4. С другой стороны, флуктуации не усиливаются, и если численности популяций достаточно велики, то флуктуационная катастрофа практически никогда не произойдет. Совсем другим в этом отношении оказывается случай 1. Здесь система будет находиться в динамически сбалансированном состоянии только при условии строго одинаковых численностей популяций Небольшая флуктуация может нарушить равновесие и затем из-за самоусиления неизбежно приведет к отбору одного из двух видов. То же самое справедливо для любого ансамбля, в котором каждая мРНК благоприятствует только своей собственной репликазе (см. рис. 47). Чтобы навязать сосуществование, недостаточно связи, происходящей от общей функции трансляции, — все репликазы могут функционировать одновременно в качестве активирующих ферментов (используя свои сайты узнавания РНК). Как и в системе, показанной на рис. 45, здесь будет только один выживший, после чего трансляционный аппарат разрушится.

Точные условия образования гиперцикла выведены в табл. 17. Рисунки дают ясное представление об области устойчивости в пространстве обобщенных координат, зависящих от кинетических параметров.

Итак, мы получили эволюционный принцип для гиперциклов. Этот вид организации может возникнуть из отдельного квазивидового распределения, как только разовьются средства реакционной связи. Предпосылки сосуществования предшественников могут выполняться, как правило, только для

близкородственных мутантов. Таким образом, возникновение гиперциклов требует предсуществования молекулярной дарвиновской системы, но ведет к совершенно новым последствиям. Этот эволюционный принцип работает даже при очень малых различиях в кинетических параметрах, и поэтому характеризуется чувствительностью к малым изменениям, вызванным мутациями. Если имеется квазивидовое распределение с эволюционирующими взаимодействиями между компонентами, то независимо от того, насколько слабы эти взаимодействия, гиперциклическая

Рис. 54. Обобщение эволюционного принципа для гиперциклов. Связи должны удовлетворять критериям, полученным в табл. 17 и 18, т. е. взаимное усиление должно превалировать над самоусилением (см. толстые линии). А. Появляется — мутант Мутант (теперь ) включается в гиперцикл.

Таблица 18 (см. скан)

Обобщение эволюционного принципа для гиперциклов объясняется на примере перехода от двучленной системы к трехчленной (рис. 54).

Общие кинетические уравнения имеют тот же вид, что и уравнения, приведенные в табл. 17. Введение третьего члена (например, мутанта в двучленный гиперцикл, который был сначала устойчив, часто ведет к тому, что ранее устойчивая особая точка превращается в седловую. Это проявляется яснее всего, если допустить наличие циклической симметрии. При этом обозначения упрощаются

и получается следующая матрица кинетических коэффициентов:

Особые точки и собственные значения таковы: Вершины-.

аналогично. Ребра:

аналогично.

Внутренняя особая точка:

Продолжение табл. 18 (см. скан)

Снова особый интерес представляют четыре случая:

которым соответствуют следующие диаграммы особых точек:

(см. скан)

Большая величина диагональных членов ведет к конкуренции — диаграмма А. В противном случае, т.е. для больших недиагональных элементов матрицы К, данные три вида проявляют кооперативное поведение. Направление вращения вокруг спирального стока в центре симплекса определяется большей из двух констант Когда вращательная компонента отсутствует, и центральная особая точка является фокусом.

Пример, рассмотренный в этой таблице, является хорошей иллюстрацией усложнения гиперциклов в ходе эволюции. В отсутствие упрощающих предположений относительно констант скоростей анализ становится крайне сложным. Более детальное рассмотрение можно найти в работе [98], где дано обобщение на случай произвольной размерности.

Рис. 55. «Реалистический» четырехчленный гиперцикл. Четыре информационные одного общего предшественника) служат для кодирования четырех репликаз которые выполняют одинаковую функцию, немного различаются по специфичности. Минус-цепи могут одновременно служить в качестве адапторов аминокислот.

организация неизбежно возникает, раз уж такие взаимодействия появились.

Гиперцикл также будет неизбежно развиваться в сторону усложнения из-за мутаций (рис. 54, 55). Эволюционный принцип может быть обобщен по индукции таким образом, чтобы он был применим к любому -членному гиперциклу. Тогда мутант либо заменить I, либо вымереть, либо увеличить гиперцикл до -членного размера (см. XVI. 10). Можно получить и более общие эволюционные критерии, как указано в табл. 18.