I begyndelsen, på en eller anden måde blev grundlæggende genetiske byggesten omsat til proteiner for at føre til komplekst liv, som vi kender det. Kredit:Christ-claude Mowandza-ndinga
Alle levende ting bruger den genetiske kode til at "oversætte" DNA-baseret genetisk information til proteiner, som er de vigtigste arbejdsmolekyler i celler. Præcis hvordan den komplekse proces med oversættelse opstod i de tidligste stadier af livet på Jorden for mere end fire milliarder år siden, har længe været mystisk, men to teoretiske biologer har nu gjort et betydeligt fremskridt med at løse dette mysterium.
Charles Carter, Ph.D., professor i biokemi og biofysik ved UNC School of Medicine, og Peter Wills, Ph.D., en lektor i biokemi ved University of Auckland, brugte avancerede statistiske metoder til at analysere, hvordan moderne translationelle molekyler passer sammen for at udføre deres arbejde - ved at forbinde korte sekvenser af genetisk information til de proteinbyggesten, de koder for.
Forskernes analyse, udgivet i Nukleinsyreforskning , afslører tidligere skjulte regler, efter hvilke centrale translationelle molekyler interagerer i dag. Forskningen tyder på, hvordan de meget enklere forfædre til disse molekyler begyndte at arbejde sammen ved livets morgen.
"Jeg tror, vi har afklaret de underliggende regler og den evolutionære historie af genetisk kodning, " sagde Carter. "Dette havde været uløst i 60 år."
Testamenter tilføjet, "De molekylære mønstre, vi har identificeret, kan være de første, som naturen nogensinde brugte til at overføre information fra en form til en anden i levende organismer."
Opdagelserne er centreret om et kløverbladformet molekyle kaldet transfer RNA (tRNA), en nøglespiller i oversættelse. Et tRNA er designet til at bære en simpel proteinbyggeblok, kendt som en aminosyre, på samlebåndet for proteinproduktion i små molekylære fabrikker kaldet ribosomer. Når en kopi eller "transkription" af et gen kaldet et messenger-RNA (mRNA) kommer frem fra cellekernen og kommer ind i et ribosom, det er bundet til tRNA'er, der bærer deres aminosyreladninger.
mRNA'et er i det væsentlige en række genetiske "bogstaver", der udskriver instruktioner til fremstilling af proteiner, og hvert tRNA genkender en specifik sekvens på tre bogstaver på mRNA'et. Denne sekvens kaldes et "kodon". Når tRNA'et binder til kodonet, ribosomet forbinder sin aminosyre med den aminosyre, der kom før den, forlængelse af det voksende peptid. Når det er afsluttet, kæden af aminosyrer frigives som et nyfødt protein.
Proteiner i mennesker og de fleste andre livsformer er lavet af 20 forskellige aminosyrer. Der er således 20 forskellige typer tRNA-molekyler, hver i stand til at linke til en bestemt aminosyre. Partnerskab med disse 20 tRNA'er er 20 matchende hjælpeenzymer kendt som synthetaser (aminoacyl-tRNA-synthetaser), hvis opgave det er at indlæse deres partner tRNA'er med den korrekte aminosyre.
"Du kan tænke på disse 20 syntetaser og 20 tRNA'er samlet som en molekylær computer, som evolutionen har designet til at få gen-til-protein-oversættelse til at ske, " sagde Carter.
Alle levende ting bruger den genetiske kode til at 'oversætte' DNA-baseret genetisk information til proteiner, som er de vigtigste arbejdsmolekyler i celler. Præcis hvordan den komplekse proces med oversættelse opstod i de tidligste stadier af livet på Jorden for mere end fire milliarder år siden, har længe været mystisk, men to teoretiske biologer har nu gjort et betydeligt fremskridt med at løse dette mysterium. Kredit:Carter and Wills
Biologer har længe været fascineret af denne molekylære computer og gåden om, hvordan den opstod for milliarder af år siden. I de seneste år, Carter og Wills har gjort dette puslespil til deres primære forskningsfokus. De har vist, for eksempel, hvordan de 20 syntetaser, som findes i to strukturelt adskilte klasser af 10 syntetaser, sandsynligvis opstået fra blot to simplere, forfædres enzymer.
En lignende klasseopdeling findes for aminosyrer, og Carter og Wills har argumenteret for, at den samme klasseopdeling skal gælde for tRNA'er. Med andre ord, de foreslår, at ved livets begyndelse på Jorden, organismer indeholdt kun to typer tRNA, som ville have arbejdet med to typer syntetaser for at udføre gen-til-protein-translation ved hjælp af blot to forskellige slags aminosyrer.
Ideen er, at dette system i løbet af evigheder blev stadig mere specifikt, som hver af de originale tRNA'er, syntetaser, og aminosyrer blev forstærket eller forfinet af nye varianter, indtil der var forskellige klasser på 10 i stedet for hver af de to originale tRNA'er, syntetaser, og aminosyrer.
I deres seneste undersøgelse, Carter og Wills undersøgte moderne tRNA'er for bevis på denne gamle dualitet. For at gøre det analyserede de den øverste del af tRNA-molekylet, kendt som acceptorstammen, hvor partnersyntetaser binder. Deres analyse viste, at kun tre RNA-baser, eller bogstaver, øverst på acceptorstammen bærer en ellers skjult kode, der specificerer regler, der deler tRNA'er i to klasser - svarende nøjagtigt til de to klasser af syntetaser." , " sagde Carter.
Undersøgelsen fandt uden tvivl bevis for et andet forslag om tRNA'er. Hvert moderne tRNA har i sin nedre ende et "antikodon", som det bruger til at genkende og holde sig til et komplementært kodon på et mRNA. Antikodonet er relativt fjernt fra syntetasebindingsstedet, men videnskabsmænd siden begyndelsen af 1990'erne har spekuleret i, at tRNA'er engang var meget mindre, kombinerer anticodon- og syntetase-bindende regioner i én. Wills og Carters analyse viser, at reglerne forbundet med en af de tre klassebestemmende baser - base nummer 2 i det overordnede tRNA-molekyle - effektivt indebærer et spor af anticodonet i en gammel, trunkeret version af tRNA.
"Dette er en fuldstændig uventet bekræftelse af en hypotese, der har eksisteret i næsten 30 år, " sagde Carter.
Disse resultater styrker argumentet om, at det oprindelige translationelle system kun havde to primitive tRNA'er, svarende til to synthetaser og to aminosyretyper. Da dette system udviklede sig til at genkende og inkorporere nye aminosyrer, nye kombinationer af tRNA-baser i den syntetasebindingsregion ville være dukket op for at holde trit med den stigende kompleksitet - men på en måde, der efterlod spor af det oprindelige arrangement.
"Disse tre klassedefinerende baser i nutidige tRNA'er er som et middelaldermanuskript, hvis originale tekster er blevet gnidet ud og erstattet af nyere tekster, " sagde Carter.
Resultaterne indsnævrer mulighederne for oprindelsen af genetisk kodning. I øvrigt, de indsnævrer området for fremtidige eksperimenter, videnskabsmænd kunne udføre for at rekonstruere tidlige versioner af det translationelle system i laboratoriet – og måske endda få dette simple system til at udvikle sig til mere komplekst, moderne former for det samme oversættelsessystem. Dette ville yderligere vise, hvordan livet udviklede sig fra de enkleste molekyler til celler og komplekse organismer.