Биологический каталог




Гиперцикл. Принципы организации макромолекул

Автор М.Эйген, П.Шустер

ее эффективно использовано для обратной связи с мРНК. Следовательно, специфические репликазы (которые все принадлежат к одному классу сходных белковых молекул) не только создают предпосылку для возникновения гиперциклической связи, но и оказываются

9 Зак. 1273

крайне важными для дальнейшей эволюции белков, так как только они могут сообщить информационной РНК, что именно является фенотипически выгодным, и осуществить отбор на генотипическом уровне, т. е. посредством интенсивного синтеза определенной мРНК. Как мы увидим в следующем разделе, такая селективная связь между генотипическим и стенотипическим уровнями лучше всего работает в сочетании с пространственным разделением, или компартмен-тацией.

Далее следует ожидать появления каталитической поддержки для различных функций трансляции. Если репликазы установили определенную связь с тРНК* подобными информационными РНК (включая сюда и плюс-, и минус-цепи), то их способности к распознаванию вполне могут использоваться для осуществления синтетазной и «транслатазной» (т. е. прерибосомной) функций. Другими словами, генный дупликат репликазы вполне может быть предшественником мРНК для синтетазы, а также для такого фактора трансляции, как EF Ти, тем более что химические механизмы функционирования репликазы и фактора переноса очень сходны и в современных системах, по-видимому, осуществляются одними и теми же остатками.

Постепенно дивергирующие двойные функции, вероятно, представляли собой очень раннюю особенность механизмов репликации и трансляции, точно так же как дупликация генов была одной из движущих сил эволюции на ее более поздних этапах. Такие двойные функции оставили свой след в современных клеточных органеллах; вирусы также использовали их при своей постбиологической эволюции в клетке-хозяине. Геном фага кодирует только одну субъединицу своей репликазы, однако использует еще три фактора из клетки-хозяина, которые были идентифицированы как рибосомный белок Si и факторы элонгации EF Ти и EF Ts [87, 88].

Бибрихер [89] исследовал свойства этих факторов и установил, что они выполняют одновременно несколько функций при рибосомном контроле, используя свою приобретенную способность узнавать молекулы тРНК. Он утверждает, что в клетке Е. coli имеется предшественник фагоспецифичиого р-фактора Qp-репликазы, и это, по-видимому, действительно так. Используя иммунологические методы, Бибрихер смог идентифицировать белок, содержащий EF Ти и EF Ts, который ведет себя как предшественник (Зз-репликазы в незараженной клетке Е. coli и который, по-видимому, участвует (неизвестным пока образом) в синтезе РНК Е. coli [87]. Не исключено, что подобные соответствия будут обнаружены и в случае синтетаз. Создается впечатление, что как только возникала некая функция — например, способность узнавать определенные типы РНК, — Природа использовала эту функцию всюду, где только в ней появлялась необходимость (например, при специфической репликации, при транспорте рибосом и контроле над их функционированием, при активации аминокислот).

В некоторых отношениях образование РНК-содер-жащих фагов могло имитировать эволюцию первичных мРНК. Фаги используют максимально возможное число фу ткций клетки-хозяина, за исключением одной — специфического узнавания своего собственного генома (т. е. связь посредством специфической репликации). Различные фаги (например, Q3, MS 2, R 17) наследуют различные факторы узнавания [9], хотя все они происходят от общего предка в клетке-хозяине. В части А было также показано, что первая фаза цикла размножения РНК-содержащего фага эквивалентна простому гиперциклическому процессу усиления.

XVI.10. Почему же в конечном счете — клетки с объединенными геномами?

Гиперциклы способствуют увеличению информационного содержания благодаря функциональной интеграции системы мРНК, в которой длина отдельной репликативной единицы ограничена из-за конечной точности копирования. Увеличение информационногосодержания позволяет построить воспроизводимый аппарат репликации и трансляции, при наличии которого продукты трансляции могут эволюционировать к большей эффективности. Это дает возможность повысить точность, что в свою очередь приводит к увеличению информационного содержания каждой отдельной репликативной единицы и тем самым снова улучшает качество ферментов. Одновременно, как показано в разд. XV, гиперцикл сам эволюционирует к большей сложности, интегрируя все больше дифференцированных мутантных генов.

Увеличение информационного содержания не только дает ферменты лучшего качества — оно может позволить каждой репликативной единице наследовать информацию более чем для одного фермента. Тем самым двойные функции могут быть вычеркнуты из списка предпосылок эволюции на ее ранних этапах, т. е. дуплицированные мРНК могут развиваться независимо, в соответствии с конкретными функциональными нуждами своих продуктов трансляции. Это могло послужить началом развития оперонных структур с механизмом контроля над одновременной репликацией нескольких структурных генов. Таким образом, из репликаз могли эволюционно развиться обычные полимеразы, связанные со специфическими контрольными факторами индукции или репрессии.

Теперь, когда мы осознали преимущества функциональной связи, которая, вероятно, является абсолютно необходимой для зарождения трансляции, уместно спросить: почему же функциональная связь в конечном счете была заменена полной структурной интеграцией всех генов — ведь геномы даже самых примитивных клеток структурно едины. Каковы ограничения гиперциклической организации и какие усовершенствования в нее можно внести?

В системе, регулируемой функциональными связями, можно выделить два класса мутаций. Мутации первого класса изменяют прежде всего фенотипиче-ские свойства самой информационной РНК и тем самым модифицируют ее таргетную функцию по отношению к специфической репликазе или фактору контроля. Эти мутации особенно важны на ранних этапах эволюции — роль фенотипических свойств РНК-структур очень велика. Такие таргетные мутации немедленно становятся селективно эффективными: благоприятные мутации будут фиксироваться, неблагоприятные — элиминироваться.

Второй класс мутаций, которые могут быть или не быть нейтральными по отношению к таргетной функции, относится к фенотипическим изменениям в продуктах трансляции. Чем более специализированы информационные РНК, тем специфичнее мутация может изменить характер функционирования продукта трансляции.

Будет ли отбор специфически благоприятствовать мутанту зависит только от таргетной функции; при этом неважно, в какую сторону изменится продукт трансляции — в благоприятную, в неблагоприятную или же его изменение будет нейтральным. Для более поздних стадий доклеточной эволюции самым обычным следствием мутации будет фенотипическое изменение продукта трансляции в сочетании с неизменной таргетной функцией. Затем мутант будет размножаться, но при этом не будет наблюдаться отбора ни в пользу мутанта, ни в пользу дикого типа (в случае, когда продукт трансляции мутанта окажется для последнего неблагоприятным). Единственное, что реально достигнуто,— это оценка системы в целом. Это может осуществляться путем пространственного разделения систем мРНК: с помощью ниш или даже еще более эффективно — посредством компартмента-ции. Информационная РНК в данном компартменте может обогащать окружающую среду своими продуктами трансляции и конкурировать с РНК других компартментов, используя свою эффективность пролиферации. Частично этого можно достичь и просто путем пространственного разделения. Однако компарт-мент без гиперциклической организации вообще не будет работать. Усиленная конкуренция между всеми информационными РНК в ограниченном жизненном пространстве компартмента разрушит любое согласованное функционирование.

Компартмент может пролиферировать более эффективно, согласуя свое воспроизведение с редупликацией всего своего набора генов. Для этого, конечно, необходим достаточно сложный механизм контроля, работу которого можно облегчить интеграцией всех генов в одну гигантскую репликативную единицу. Такая индивидуализация всего компартмента требует высокой точности аппарата репликации. В части А мы сравнили информационное содержание на различных биологических уровнях с соответствующими (и наблюдаемыми) точностями репликации (см. табл. 4).

Индивидуализация компартмента, вероятно, связана с переходом от РНК-генов или оперонов к ДНК-геномам, так как достаточно высокую точность может гарантировать лишь механизм репликации ДНК. Новая индивидуализованная единица представляла собой интегрированную протоклетку. Предыдущей функциональной организации генов и их продуктов пришла на смену более совершенная структурно-функциональная организация. Более подробное изучение кольцевых генетических карт может еще обнаружить какие-то признаки фазы начала структурной организации, хотя рекомбинационные эпигенетические эффекты могли стереть многие следы.

Вследствие унификации и индивидуализации чистый рост при бесполом размножении клеток подчиняется автокаталитическому закону первого порядка (в отсутствие ингибирования). Дарвиновские свойства таких систем допускают селективную эволюцию и сосуществование большого числа разнообразных видов. Оказывается, что интегральное единство клетки имеет превосходство над более консервативной формой гиперциклической организации.

С другой стороны, последующая эволюция многоклеточных [90] организмов снова могла использовать аналогичные или другие формы гиперциклической организации (нелинейные сети), где новыми субъединицами были клетки, и тем самым в некоторых отношениях она могла оказаться сходной с процессом молекулярной самоорганизации.

XVII. Реалистические граничные условия

Обсуждение «реалистического гиперцикла» было бы неполным без рассмотрения реалистических граничных условий. Мы остановимся на этом вопросе лишь вкратце не потому, что не признаем важности граничных условий для исторического процесса эволюции — возникновение жизни на нашей планете в конце концов есть историческое событие,— а потому, что понимаем, как

страница 37
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41

Скачать книгу " Гиперцикл. Принципы организации макромолекул" (2.15Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(17.10.2017)