ми может работать совершенная РНК-репликаза (1000—10 ООО нуклеотидов).

XVI.4. Необходимы ли при старте тРНК?

Этот вопрос можно сформулировать по-другому. «А почему бы адапторам не быть малыми олигону-клеотидами?»

Адапторы без информационных РНК бессмысленны. Короткие нуклеотидные последовательности не могут функционировать в качестве информационных

РНК. Декапептиды эквивалентны уже почти половине молекулы тРНК. Далее, короткие олигонуклеоти-ды могут быть нестабильны, так как они лишены третичной структуры. Простейшая симметричная структура, т. е. отдельная петля, стабилизированная четырьмя или пятью парами оснований, требует целых пятнадцати нуклеотидов. Бесферментное специфическое, распознавание аминокислот, в котором участвуют одновременно антикодоновая петля и З'-конец адаптора, возможно только при наличии более протяженных структур. То же самое верно для взаимодействий между двумя соседними адапторами, которые необходимы для стабилизации комплекса мРНК — пептидил-тРНК или для конформационного изменения (например, HF->-fh), которое может облегчить перемещение растущей пептидной цепи вдоль информационной РНК. Маас и др. [99] недавно сообщили о таком конформационном изменении в антикодоновой петле тРНК, которое они зарегистрировали, наблюдая изменение флуоресценции основания Y. Для фрагмента антикодоновой петли (т. е. для де-кануклеотида с последовательностью антикодоновой петли) этот эффект, по-видимому, отсутствует. Все это позволяет думать, что недостаточно длинные последовательности РНК не могут функционировать в качестве адапторов.

Тогда можно задать вопрос: «Что отличает адаптор от информационной РНК?» Их минимальная длина должна быть примерно одинаковой. Обе они должны иметь специфическую складчатую структуру, которая создает предпосылки воспроизводимого узнавания их факторами связи.

Поскольку каждая тРНК и каждая мРНК нуждаются в факторе связи (например, в репликазе), благоприятствующем их селекционной стабилизации, то двойные функции РНК-последовательностей совершенно необходимы. Итак, плюс- и минус-цепи данной РНК-последовательности могут использоваться совместно как информационная РНК и как адаптор.

XVI.5. Дают ли современные тРНК

какие-либо указания на свое происхождение

Структурное сходство может быть либо следствием адаптации для достижения общей цели, либо указывать на происхождение от общего предка. Современные тРНК имеют много структурных соответствий [75]. Позволяют ли эти аналогии сделать вывод о том, что все тРНК произошли от общего предка? В соответствии с анализом Джукса [76], на этот вопрос можно ответить осторожным «да». Почему следует проявлять осторожность, можно показать на примере. Одна особенность, характерная для всех изученных до сих пор прокариотических и эукариоти-ческих тРНК,-^ это наличие последовательности TifCG в так называемой Т-петле — общем сайте узнавания при рибосомном контроле. Недавние исследования метанобразующих бактерий [77] показали, что у этих микроорганизмов, считающихся «наиболее древними ветвями из всех, которые встретились до сих пор в генеалогии бактерий», указанная последовательность отсутствует, а вместо нее у одной группы имеется последовательность iJ^CG, а у другой — UifCG. Хотя эти данные не ставят под сомнение, а наоборот, подчеркивают тесные эволюционные связи данного класса микроорганизмов с другими прокариотами, они определенно показывают, что общие свойства могут согласованно приобретаться целыми классами. Это особенно характерно для тех молекул, которые производятся общим аппаратом, например рибосомой — местом синтеза всех белковых молекул.

Рис. 56 показывает соответствие последовательностей для четырех тРНК из Е. coli, которые, как мы считаем, являются современными представителями первичных кодоновых адапторов. К сожалению, в нашем распоряжении не было последовательности ала-нин-специфичной тРНК для кодона GCC. Если сравнить этот вид тРНК, имеющей антикодон 54UGC, с соответствующей тРНК для валина с антикодоном 54UAC, то мы обнаружим большее сходство с последней тРНК, чем той, которая изображена на ри5 Ю 15 20 25 30 35 40

GCGGGAAUAGCUCAGDDGGD AGAGCACGACCUUGCCAAGG GGGGGCAUAGCUCAGCDGGG AGAGCGCCUGCUUlJGCAC6C GGAGCGGSAGUUCAGDCGGDDAGAAUACCUGCCUGUC^CGC GCGUCCGSAGCUCAGDDGGDDAGAGCACCACCUUGACAUGG

' . 4S 50 gS 60 65 70 75

UCGGG13UCGCGAGTQCGAGUCUCGUUUCCCGCUCCA AGGAGGUCUGCGGTQCGAUCCCGCGCGCUCCCACCA AGGGGI3UCGCGGGTQCGAGU CCCGQCCGUUCCGCCA UGGGG^UCGGUGGTQCGAGUCCACUCGGACGCACCA

Рис. 56. Сравнение последовательностей тРНК для Gly, Ala, Asp и Val. К сожалению, последовательность тРНКА1а, соответствующая кодону GCC, пока неизвестна. Возможно, сходство между тРНК для Gly и Ala было бы еще больше в случае пра-' вильной последовательности, которая соответствует антикодону GCC (о том, что это так, можно судить на основании сходства между двумя последовательностями для Ala и Val, которые относятся к антикодонам *UGC и *UAC соответственно). Этн последовательности показывают, что спаренные области состоят в основном из GC-nap и что близкое сходство говорит о родстве между Gly/Ala и Asp/Val (см. S в положении 8 для Asp и Val вместо и для Gly и Ala или вставку D между положениями 20 и 21 для Asp и Val). А—аденозин, *А = 2МА— г4(2)-метиладенозин, С — цитидин, D — 5,6-дигидроуриднн, G — гуанозин, * *G = 7MG— М(7)-метилгуанозин, Q = W— псевдо-уридин, S — тиоуридин, Т — рнбозилтимин, U — уридин, *U = = 5AU — 5-оксиацетилуридин.

сунке (совпадают 57, а не 54 положения). Следовательно, правильная тРНКА1а с антикодоном GGC может иметь не 44, а большее число совпадений с приведенной на рисунке глициновой тРНК. Если не принимать во внимание этот «физический недостаток», то можно сделать вывод, что 1) все приведенные последовательности совпадают в более чем в половине положений (33 совпадения, если включить «неправильный» Ala, или 41 совпадение для Gly, Asp и Val); 2) подгруппа Gly/Ala отличается несколькими особенностями от подгруппы Asp/Val (тиоуридин «S» вместо U в положении 8, вставка 5,6-ди-гидро-U между положениями 20 и 21; 3) все приведенные последовательности имеют явный избыток G и С по сравнению с А и U (или их производными), особенно в двухцепочечных участках.

Далее, сравнение с последовательностями других тРНК показывает, что эти особенности—хотя они определенно не редки и для большинства других тРНК — особенно сильно выражены для данной группы. Сходство так же велико, как и для разных адап-торов одной и той же аминокислоты в одном и том же организме.

Один факт особенно красноречив. Если сравнить последовательности двух адапторов, имеющих комплементарные антикодоны (например, для Asp и Val), то совпадение между обеими плюс-цепями тРНК будет гораздо более полным, чем между одной плюс-цепью (если читать от 3' к 5') и другой минус-цепью (если читать от 5' к 3'). Действительно, если сравнить таким образом плюс- и минус- цепи одной и той же тРНК, то соответствие окажется лучшим. Эти соответствия являются выражением замечательной внутренней симметрии тРНК, при которой антикодон располагается почти точно в середине последовательности и тем самым образуется симметричная двумерная структура. Мы можем считать это свойство указанием на то, что тРНК возникла очень рано как независимая репликативная единица. Требование того, чтобы плюс- и минус-цепи имели сходную структуру, важно, лишь если они представляют собой независимые репликативные единицы, а не интегрированы структурно с образованием длинной геномной последовательности, как это имеет место теперь. Такая же ситуация характерна и для фаговых РНК или их вариантов, которые размножаются в виде отдельных репликативных единиц [78].

С другой стороны, адаптация тРНК к общему аппарату вызвала, вероятно, общие отклонения от необходимой вначале симметрии. Тот факт, что зеркальные копии плюс- и минус-цепей одной и той же тРНК обнаруживают больше симметричного сходства, чем зеркальные копии плюс- и минус-цепей тРНК с комплементарными антикодонами, позволяет думать, что обе тРНК эволюционно развились как мутанты одной и той же цепи, а не двух комплементарных цепей. Тогда можно сделать вывод, что современные адапторы для кодонов GGC(Gly), GCC (Ala), GAG (Asp) и GUC(Val) возникли из одного квазивида как мутанты с одной ошибкой, происходящие от общего предка. Однако исходной симметрии было недостаточно (а почему ее должно быть достаточно?) для того, чтобы адапторные функции могли возникнуть у плюс- и минус-цепей данной РНК.

XVI.6. Как в информационной РНК могли возникнуть кодонные паттерны без запятых?

Первые мРНК были, вероятно, идентичны первым адапторам (или их комплементарным цепям). Действительно, функции адаптора и мРНК предполагают структурное соответствие. Каким бы ни был колонный паттерн в последовательности мРНК, он должен иметь свою комплементарную реализацию в адапторе. Для примитивных систем такое требование легче всего выполнить, используя общий структурный паттерн для обоих типов молекул: чтобы первые адапторы были минус-цепями первых мРНК (если считать, что плюс-цепью по определению всегда является мРНК) и чтобы определенная симметрия структуры позволяла и плюс- и минус-цепям узнаваться одной и той же репликазой.

Первые длинные молекулы РНК были обогащены G и С, что является следствием отбора, основанного на критериях структурной стабильности и точности копирования. Молекулы с общим кодонным паттерном — таким, как GGC/GCC — требуют инструкции в виде затравки (например, могут использоваться катализаторы или имеющиеся открытые петли РНК) с последующей внутренней дупликацией. Это неизбежно приведет к образованию структур, содержащих по меньшей мере два кодонных паттерна с внутренней комплементарностью, например 5'GGC3' и ЪСССлЬ'.

Существует хороший пример, показывающий эффективность дупликации внутреннего паттерна при синтезе de novo и усиление последовательностей РНК фаговыми репликазами. Если Qft-репликазу лишить всяких матриц, то она начинает «связывать» друг с ю 20 so 40

pppGGGGACCCCCCGGAAGGGGGGACGAGGUGCGGGCACCUCGuACG pppGGGGCCCCCCCCGAAGGGGGGGCGAAGGGGGGGCCCUUCGUUCG

50 60