Свидетельства в пользу двухфункциональных РНК-адаптеров и матриц

Слайд 69 собирает косвенные, но взаимно подтверждающиеся свидетельства того, что одна и та же цепь РНК могла одновременно выступать как адаптер — тРНК-подобный переносчик, передающий аминокислоту растущей цепи, — и как матрица — мРНК-подобная последовательность, которую можно прочитать. Если обе роли уживаются в одной молекуле, барьер между гиперциклической репликацией РНК и примитивной трансляцией резко снижается: ни отдельный класс адаптеров, ни — на самом начальном этапе — синтетаза не должны были появиться прежде, чем сообщение можно было бы декодировать.

Четыре взаимно подтверждающиеся линии свидетельств

Сопоставления последовательностей и структур тРНК: функции адаптера и матрицы могут сосуществовать в одном семействе РНК — одна молекула несёт и роль акцептора/переносчика аминокислоты, и читаемую последовательностную информацию.
Синтез de novo мидиварианта Qβ: РНК способна воспроизводиться без уже существующего аппарата трансляции, поэтому крупные воспроизводимые молекулы РНК размером с тРНК вполне вероятны ещё до появления сложной трансляции.
Простые β-слойные предшественники ферментов: ранним функциональным белкам не требовались сложные укладки; минимальные пептиды могли обеспечивать примитивную функцию без полностью уложенного фермента.
Конформационная гибкость тРНК (hf ↔ FH): роли адаптера и матрицы не разделены полностью на отдельные классы РНК.

Переключение hf ↔ FH

То, какая из двух конфигураций присутствует в действительности, зависит от того, связана ли тРНК с аминокислотой или с пептидной цепью. При переносе аминокислоты на пептидную цепь тРНК переключается из hf в FH конфигурацию (ср. рис. 49). Модель хорошо объясняет, каким образом при отсутствии сложного аппарата трансляции сообщение всё же может быть прочитано: та же цепь, что доставляет аминокислоту, предоставляет и читаемую последовательность.

Встречный вопрос, который стоит воспринять всерьёз

Как можно представить себе возникновение трансляции, если учесть воспроизводимые молекулы РНК размером с тРНК и предпосылки для синтеза белков в примитивной форме из ограниченного числа достаточно распространённых аминокислот? Этот вопрос можно заострить до возражения: «Этот вопрос можно поставить и иначе: почему бы не использовать небольшие олигонуклеотидные адаптеры?» Модель двойного назначения отвечает, что молекула должна быть достаточно длинной и структурированной, чтобы поддерживать одновременно и узнавание адаптера, и читаемость матрицы, поэтому крошечный олигонуклеотид здесь не подойдёт.

Осторожность в интерпретации

Это аргументы в пользу правдоподобия мира РНК с двойным назначением, а не прямое ископаемое доказательство. Мидивариант Qβ — это современный аналог репликатора, β-слойные предшественники — выводы о минимальной укладке, а переключение hf/FH — механистическая гипотеза о ранней трансляции, а не прямое древнее свидетельство.

Переключение тРНК из hf в FH

Одна цепь тРНК в двух состояниях: hf — когда она несёт аминокислоту, и FH — после того как эта аминокислота перенесена на пептидную цепь. Поскольку та же цепь предоставляет и читаемую последовательность, роли адаптера (узнавание антикодона) и матрицы (читаемая матрица) не разделены на отдельные классы РНК — именно поэтому сообщение можно прочитать без сложного аппарата трансляции.

ВОПРОС 1

Сопоставления последовательностей и структур тРНК, приведённые на этом слайде, призваны прежде всего подтвердить какое утверждение?

Трансляция не может начаться, пока не появится полностью уложенный белковый фермент.

Молекулы тРНК всегда короче современной мРНК.

Генетический код закрепился до того, как произошла хоть какая-либо репликация РНК.

Функции адаптера и матрицы могут сосуществовать в одном семействе РНК.

ВОПРОС 2

Что демонстрирует синтез de novo мидиварианта Qβ в этом рассуждении?

Пептиды сворачиваются в β-слои лишь после того, как появилась трансляция.

Древние тРНК не содержали петли антикодона.

РНК способна воспроизводиться без уже существующего аппарата трансляции.

Конфигурация hf химически нестабильна и не может сохраняться.

ВОПРОС 3

В описанном механизме то, какая из двух конфигураций тРНК присутствует в действительности, зависит от:

Числа кодонов, содержащихся в сообщении.

Температуры первичного океана.

Того, связана ли тРНК с аминокислотой или с пептидной цепью.

Того, успела ли уже возникнуть синтетаза.

ВОПРОС 4

При переносе аминокислоты на пептидную цепь тРНК переключается из:

конфигурации hf в конфигурацию FH (ср. рис. 49).

конфигурации FH в конфигурацию hf.

роли адаптера в чисто каталитическую роль.

формы клеверного листа в линейный дуплекс.

ВОПРОС 5

На возражение «Почему бы не использовать небольшие олигонуклеотидные адаптеры?» лучше всего ответить так:

Небольшие олигонуклеотиды не могут быть синтезированы пребиотически ни при каких условиях.

Адаптеры всегда должны быть короче матриц, чтобы их можно было прочитать.

Только рибозимы с β-слойными укладками способны связывать аминокислоты.

Модель двойного назначения требует достаточной длины и структуры РНК для поддержания как узнавания адаптера, так и матричной/читаемой последовательности.

Разбор случая: реконструкция двухфункциональной РНК

Прочитайте приведённый ниже сценарий и ответьте на вопросы.

Исследовательская группа, моделирующая ранний мир РНК, предлагает единственный вид РНК длиной 76 нуклеотидов, который принимает конфигурацию hf, когда несёт аминокислоту, и конфигурацию FH, как только эта аминокислота перенесена на короткий пептид; последовательность той же цепи при этом читается как сообщение. В поддержку своего предложения они ссылаются на сопоставления последовательностей тРНК, синтез de novo мидиварианта Qβ и простые β-слойные предшественники ферментов. Они утверждают, что это делает сообщение читаемым без какого-либо сложного аппарата трансляции.

1. Какие из приведённых наблюдений действительно подтверждают утверждение о двойном назначении и какой результат опроверг бы его?

Ответ:
Подтверждающие свидетельства: сопоставления тРНК показывают, что функции адаптера и матрицы могут сосуществовать в одном семействе РНК; мидивариант Qβ демонстрирует воспроизведение РНК без уже существующего аппарата трансляции, что делает тРНК-размерные воспроизводимые РНК вероятными; β-слойные предшественники показывают, что ранним белкам не нужна сложная укладка; а переключение hf/FH даёт механизм, при котором та же цепь доставляет аминокислоту и предоставляет читаемую последовательность. Опровержением стало бы доказательство того, что ни одна длина или структура РНК не может служить обеим ролям одновременно — например, если бы узнавание адаптера строго требовало молекулы слишком короткой для чтения или если бы переключение из hf в FH не могло произойти при переносе аминокислоты.

2. Оцените силу этих свидетельств: это доказательство существования древней двухфункциональной РНК или лишь правдоподобие? Какие дополнительные свидетельства потребовались бы, чтобы перейти от правдоподобия к доказательству?

Ответ:
Свидетельства взаимно подтверждаются, но являются косвенными, поэтому они устанавливают правдоподобие, а не доказательство. Мидивариант Qβ — это современный аналог репликатора, β-слойные предшественники — выводы о минимальной укладке, а переключение hf/FH — механистическая гипотеза о ранней трансляции, а не прямое древнее свидетельство. Переход от правдоподобия к доказательству потребовал бы прямых индикаторов существования древней единой РНК, выполняющей обе роли, — например, прослеживаемых последовательностных/структурных признаков, общих для адаптеров и матриц, или экспериментально продемонстрированной единой РНК, которая одновременно принимает аминокислоту, переносит её на пептид и читается как матрица при отсутствии сложного аппарата трансляции.