сти спаривания оснований с использованием различных комбинаций нуклеотидов подробно обсуждались в обзорах [4, 44]. Они обосновывают количественно то общепринятое мнение, что GC-пары значительно сильнее стабилизируют кооперативную стопку оснований, чем AU-пары.

Константа стабильности непрерывной и однородной олигомерной последовательности из п нуклеотид(91)

которая относится к линейной модели Изинга. р — это фактор кооперативности, который как для AU-, так и для GC-nap по порядку величины равен Ю-31), а s — константа стабильности отдельной пары в кооперативной стопке. Для гомополимера AU этот параметр примерно на порядок меньше, чем для гомополимера GC, или при грубой количественной оценке:

AU

10, тогда как s.

100.

Для случая, когда одна из комплементарных цепей может принимать ту конкретную конфигурацию стопки, которая реализуется в антикодоновой петле тРНК, получены большие значения абсолютной стабильности, чем рассчитанные по формуле (91). Вероятно, фактор кооперативности (3 в этом случае иной. Однако Уленбек, Бэттер и Доти [65, 66] установили, что три- и тетрануклеотиды, комплементарные антикодоновой области тРНК и различающиеся одной парой AU, различаются по своим константам стабильности на один порядок — в полном согласии с приведенной выше оценкой. С этим также согласуется то, что найденные максимальные абсолютные значения констант стабильности относятся к взаимодействию двух тРНК, имеющих комплементарные антикодоны

[67].

Данные, полученные для определенных коротких последовательностей, могут быть использованы по крайней мере для сравнения различных моделей репликации и трансляции и для суждения об их относительной значимости. Очевидно, что изолированные AU- нли GC-пары нестабильны при любых реальных концентрациях. Для начала репликации необходим некий вспомогательный этап — образование затравки, и именно этот этап в первую очередь требует

1 Такое соотношение формально верно как для спаривания оснований в пределах данной последовательности, так и для ассоциации двух комплементарных последовательностей, когда р имеет размерность М-1* участия ферментов. Современные фаговые РНК-реп-ликазы также специфически адаптированы к паттерну последовательности нуклеотидов фагового генома. Элонгация цепи происходит путем кооперативного связывания очередного нуклеотида на вершине стопки пар оснований растущей цепи. Имеющиеся данные указывают, что GC-napa примерно в десять раз более стабильна, чем AU; это приводит к относительно большей точности копирования G и С, чем А и U. Если скорость репликации лимитируется образованием ковалентной связи в полинуклеотидном остове (а не спариванием оснований), то точность может зависеть от концентраций мономеров mR и mY и от констант стабильности пар KRY, KRR И /CYY. Тогда точность воспроизведения для любого данного нуклеотида может быть получена из среднего геометрического точностей для обоих комплементарных процессов R->Y, Y—*R:

gRY= mY*RY и Ячя== ————————, (92)

N N

где KRY « KYR И суммирование идет по всем N = = A, U, G, С. Для А и U или для G и С эти значения q равны, потому что ошибка может произойти как в плюс-, так и в минус-цепи. Если концентрации мономеров одинаковы, то константы стабильности определяют достижимую точность. Из этого следует, что G и С воспроизводятся значительно более точно, чем А и U, Однако отношение темпов ошибок при воспроизведении GC и AU в смешанных системах не совсем совпадает с (обратным) отношением соответствующих констант стабильности, главным образом из-за наличия «качающихся» (wobble) взаимодействий между G и U, которые являются основным источником ошибок воспроизведения — даже при репликации современных РНК-содержащих фагов [34].

Мы оценили значение q на основании различных данных по взаимодействиям между нуклеотидами в отсутствие ферментов. Эти оценки представлены в

табл. 15. Первые три строки в этой таблице относятся к случаю равных концентраций мономеров A, U, G, С. Это допущение может быть весьма далеким от реальности, и поэтому в трех следующих примерах

Таблица 15

Оценки точностей и вероятностей ошибок для воспроизведения G и С по сравнению с А и U

Точность q ВщР^ТИН(}С_1Ь

КОНЦЕНТРАЦИИ КОНСТАНТЫ СТАБИЛЬНО- ШИ И ^

мономеров сти пар оснований ————— __—__»

GC AU GC AU

0,95 0,67 0,05 0,33

0,97 0,78 0,03 0,22

0,93 0,81 0,07 0,19

0,95 0,69 0,05 0,31

0,86 0,25 0,14 0,75

тА = mQ = mQ = тц KRR «= Куу = 1 0,93 0,59 0,07 0,41

КАС^ 1; #CW—10

KAU~ 10; /CGC= 100

= fnG=mC=mU KRR~ Kyy <1

KAC~ 1; KQU=\0

KAU = 10; KGC = 100

тА —- mG=mC=mU KRR = Kyy *C 1

KAC = 1; KGU = b

KAU = 10; iCGC = 100

тА = \0mG KRR™ Kyy<\

mG —- тс KAC = 1; KGU = b

тс " Югпц KAU = 10; /CGC«100

тА —- \0mG *RR~ Kyy <1

mQ KAC = i; KGU-s

тс KAU==i 10; KGC=100

тА \0mg KRR = Kyy = 1

= тс ^AC^ 2; KQU=W

lOffiy KAU^ 10; Koc = 100

оно снято. Можно поставить под сомнение правомочность использования данных по стабильности, которые были получены из опытов с олигонуклеотидами. Однако включение одного нуклеотида в процессе репликации сопровождается кооперативными взаимодействиями между парами оснований, и, следовательно, относительные порядки величин, полученные для олигонуклеотидов, могут быть верны и для этого случая. Для вычисления q требуются лишь относительные, а не абсолютные значения стабильности.

Из различных оценок, представленных в табл. 15, следует такой вывод: G и С воспроизводятся со значительно большей точностью, чем А и U. В зависимости от превосходства отобранных последовательностей [о; см. уравнение (28), часть А] воспроизводимое информационное содержание GC-богатых последовательностей в ранних репликативных процессах ограничивается примерно 20—100 нуклеотидами, т. е. тРНК-подобными молекулами, тогда как для AU-богатых последовательностей оно вряд ли может превосходить 10—20 нуклеотидных остатков на реп-ликативную единицу. Здесь следует подчеркнуть, что, вообще говоря, могли существовать более длинные последовательности любого состава. Однако они не были воспроизводимыми и поэтому не могли эволюционировать в соответствии с каким-либо функциональным требованием.

Из анализа экспериментальных данных о репликации фага в части А мы заключили/что даже хорошо адаптированные РНК-репликазы не позволяют построить воспроизводимую цепь длиной более 1000— 10 000 нуклеотидов. Эта оценка соответствует действительному числу генов у РНК-содержащих фагов.

Мы можем теперь сделать окончательные выводы относительно первичных механизмов репликации: при условии воспроизводимости такой размер, как вся тРНК, могли иметь только GC-богатые полинуклео-тиды. Таким образом, GC-богатые последовательности могли выступать в роли первичных тРНК (адап-торов) и воспроизводимых информационных РНК — тю крайней мере до тех пор, пока репликация не стала катализироваться умеренно адаптированными ферментами.

Такое же заключение можно сделать относительно начала трансляции. Как подчеркивали Крик и др. [3], стабильность комплекса пептидил-тРНК—мРНК очень важна для любой модели примитивной трансляции. Исходя из приведенных выше данных константа стабильности комплекса, состоящего из пяти GC-nap, равна

/(sac « Ю7 М"1,

в то время как для пяти AU-nap она на пять порядков меньше:

/CSAU ~ Ю2 М-1.

Эти значения опять необходимо рассматривать как относительные: в действительности они могут быть несколько выше, если допустить наличие стэкинга или предположить, что мы имеем дело с тРНК современного типа; это, однако, не делает неверными рассуждения, основанные на относительных величинах.

Оценки можно сделать также, используя данные по временам жизни. Найдено, что измеренные константы скорости рекомбинации комплементарных олигонуклеотидов всегда имеют порядок величины

106 М-1-с"1.

Если воспользоваться приведенными выше константами стабильности, времена жизни соответствующих комплексов будут равны

T5GC « 10 с и т5Аи ~ 10"4 с.

Эти оценки снова могут стать несколько большими по величине, если стабильности окажутся выше и если две соседние тРНК, связанные с информационной РНК, стабилизируют друг друга. Тогда времена жизни оказываются как раз достаточными для того, чтобы GC-богатые последовательности могли породить примитивную трансляцию. Эти времена жизни определенно слишком малы, если преобладают AU-пары. Теперь мы видим, что некоторые недостатки, свойственные коду RNY по сравнению с кодом RRY, обусловленные соотношением стабильностей, могут быть скомпенсированы использованием преимущественно G и С, по крайней мере в части положений R и Y. Четырехчленная GC-структура конечно более стабильна, чем любая пятичленная структура, включающая более чем две пары AU. Вывод следующий:

Возникновению трансляции сильно благоприятствуют GC-богатые структуры — как в случае предшественников тРНК, так и для информационных РНК.

XIV. Код с GC-рамкой

XIV.1. Первые два кодона

Если выводы из данных по стабильности объединить с рассуждениями Крика и др., то мы можем предсказать, какие кодоны были скорее всего самыми первыми.

Единственные достаточно длинные последовательности, которые могли точно воспроизводиться,— это, по-видимому, те, у которых преобладали остатки G и С. Тогда первыми кодонами были только комбинации этих двух остатков. Требование считывания без запятых исключает симметричные комбинации GGG/CCC и GCG/CGC. В этом легко убедиться, записав такие последовательности. Адапторы с правильными комбинациями в антикодоне могут связываться в различных перекрывающихся' положениях. Если далее ввести кодонные комбинации, полученные из симметричных предшественников, то это приведет к еще более разрушительным последствиям. Тогда у нас останутся лишь две комплементарные пары комбинаций, а именно GGC/GCC и CCG/CGG (все комбинации читаются в направлении 5'->-3'). С точки зрения симметрии они кажутся совершенно эквивалентными. Имеется, однако, небольшая асимметрия, связанная с «качанием» основания в третьем положении. Сравним последовательности мРНК, состоящие искл