szerkezetek száma jóval kisebb a lehetséges
szekvenciák számánál (Schuster et al., 1994), tehát több szekvencia is
azonos szerkezetet vesz fel. Ebben az esetben nem minden mutáció
változtatja meg a szerkezetet – a szekvenciát igen –, azaz
szelekciósan semleges lehet. A pontatlan másolásból eredő mutációk egy
részének így nincs hatásuk, tehát magasabb mutációs ráta mellett is
fenntartható a szerkezet. Az így kapott hibaküszöböt fenotipikus
hibaküszöbnek hívjuk.
Fontosnak tartjuk, hogy az elméleti vizsgálódások
is a kísérletes eredményeken alapuljanak, így a fenotipikus
hibaküszöböt egy kísérletesen jól jellemzett ribozimra szerettük volna
kiszámolni. Ennek a feltételnek csak a természetes ribozimek és talán
a Bartel-féle I-es ligáz felel meg. A természetes
ribozimekből hosszuk miatt kiesnek az I-es és II-es csoportbeli
intronok, valamint az RNázP. Egy álcsomónak nevezett szerkezeti rész
következtében a Hepatitis delta vírussal sem tudunk számolni (a
leggyakrabban alkalmazott, bevett módszerek nem képesek figyelembe
venni az álcsomókat). Így maradt a hajtű és a Neurospora Varkund
Szatellit ribozim (1. ábra).
Számos kísérletet végeztek ezen enzimeken,
amelyekben a szekvencia kisebb-nagyobb változtatása mellett megmérték
az így előállított mutáns enzimaktivitását. A Neurospora VS ribozim
esetében a 144 bázisából 83 mutánsát ismerjük az irodalomból (az 1.
a ábrán a nagybetűvel jelölt nukleotidok), az összes különböző
mutánsok száma 183. A mutánsok között van, ami a szerkezetet
változtatja egy-egy kitüremkedés eltüntetésével, vagy áthelyezésével,
esetleg egy szár meghosszabbításával. Vannak mutánsok, amelyek több
helyet egyszerre érintenek. A hajtűkanyar ribozim ötven bázisából
harminckilencet vetettek alá valamilyen mutációnak (az 1. b ábrán
a nagy betűvel jelölt nukleotidok), az összes ismert mutáns száma
142.
A kísérletek alátámasztják, hogy a szerkezet
megőrzése a kulcs az enzimaktivitás megőrzésében, a legtöbb nukleotid
tényleges kémiai mikéntje lényegtelen mindaddig, amíg a szerkezet nem
változik. A szerkezet kicsit változhat is, pár hibás bázispár vagy a
helikális régiók rövidülése, hosszabbítása csak kismértékben
módosítják az aktivitást. Egyes helyek kritikusak az enzimaktivitás
szempontjából (az 1. ábrán vastagon szedett helyek). Ezeken a helyeken
bármely módosítás tönkreteszi az enzimet.
A többszörös mutációk hatása közel multiplikatív,
azaz amennyiben ismerjük az egyik és a másik mutáns hatását
külön-külön, akkor a közös mutáns hatása egyszerűen a két mutáns
hatásának a szorzata. Például, tegyük fel, hogy az egyik mutáns 80%-ra
csökkenti az enzimaktivitást, a másik meg a felére. Ebben az esetben a
kettősmutáns aktivitása 40%-os. Ehhez a megállapításhoz több ribozim
kísérletes adatait gyűjtöttük össze. Végül megállapíthattuk, hogy a
többszörös mutációk hatása gyengén szinergisztikus, azaz a
kettősmutáns aktivitása kissé nagyobb, mint a két egyszeres mutáns
hatásának szorzata. A modellekben – a mienkben is – az egyszerűség
kedvéért alkalmazott multiplikatív hatás tehát nagyjából igaz, ezt
használva túlbecsüljük a mutáció negatív hatását. Mivel pont azt
vizsgáljuk, hogy mutációs negatív hatása ellenére fennmaradhat az
aktív enzim, így a mutáció hatásának túlbecsülése megengedett, a
valóság ennél csak kedvezőbb lehet.
Az általános felismerésekből és az egyes ribozimek
konkrét mutáció–aktivitás adataiból egy rátermettségi tájképet
állítottunk elő. A rátermettségi tájkép minden egyes lehetséges
szekvenciához hozzárendel egy rátermettség (fitness) értéket.
Lényegében a rátermettségek adják majd meg a szelekciós előnyt, amit
az Eigen-modell kapcsán említettünk. Ez volt az első és máig egyetlen
publikált rátermettségi tájkép ribozimekre (részleteit lásd Kun és
munkatársai 2005-ös kiegészítő anyagában). A rátermettség tájkép
alapján egy sztochasztikus populációdinamikai modellel a hibaküszöb
becsülhető.
Eredményül azt kaptuk, hogy a Neurospora VS
ribozimra a fenotipikus hibaküszöb 0,0533 hiba/bázis/replikáció; hajtű
ribozimra pedig 0,144 hiba/bázis/replikáció. Ennél magasabb hibaráta
mellett nem fenntartható a működő enzim, kisebbnél viszont igen. Az
Eigen-féle formalizmusban, ami meghatározta a hibaküszöbről való
gondolkodást az elmúlt harminc évben, ezekre a ribozimokra
(száznegyvennégy és ötven nukleotid hosszú szekvenciák) 0,014 és
0,042 hiba/bázis/replikációs hibaküszöb adódik, ami jelentősen kisebb
az általunk kimért fenotipikus hibaküszöbnél. Egy nagyságrenddel
nagyobb hiba mellett is fenntartható a szerkezeti információ, azaz az
RNS-világ egy nagyságrenddel magasabb hibaráta mellett is működőképes,
mint ahogy korábban egy DNS-fehérje-világra gondolták. Ez jelentősen
megnöveli bizodalmunkat mind az RNS-világ meglétében, mind az
Eigen-paradoxon feloldhatóságának lehetségességében.
Létezik-e egyáltalán még az Eigen-paradoxon?
Egyrészről, ha lenne replikáz ribozim, ami 96,5%-os pontossággal lenne
képes másolni, akkor mindkét vizsgált ribozim másolható lenne. A
replikáz enzimmásolási pontossága jobb, mint a ribozimok fenotipikus
hibaküszöbe. Elegendő-e a 96,5%-os pontosság (3,5%-os hibaráta) a
replikáz másolásához (kétszáz bázis)? Eredményeinkből extrapolációra
ad lehetőséget Paulien Hogeweg és munkatársai (Takeuchi et al., 2005)
munkája, amelyben a fenotipikus hibaküszöbre a következő összefüggést
ajánlják: L < – ln s / ln (q + l – ql). A jelölések azonosak, mint
fentebb, l az összes lehetséges, egy bázist érintő mutánsok közül
azoknak a hányada, amelyek nem változtatják meg az aktivitást (azaz
rátermettség szempontjából semleges mutánsok). Ez a hányad könnyen
kiszámítható az eredeti szekvenciára, s más vizsgálataink azt
mutatják, hogy egy adott struktúrára nagyjából azonos a szekvenciától
függetlenül. A VS ribozim esetében λ = 0,26, hajtűkanyar ribozimra
pedig l = 0,22. Ezekből kiszámolva az ln s értékeket azt kapjuk, hogy
a Neurospora VS ribozimra ln s = 5,761, a hajtűkanyar ribozimra ln s
= 5,957. A két, egymástól független ribozimra a két paraméter eléggé
egyezőnek adódik. Behelyettesítve a Bartel I-es ligázból fejlesztett
szintetáz pontosságát (96,5%) a fenntartható hossz 217-nek adódik, ami
a kb. 200 nukleotid hosszú ribozim másolásához pont elég. Amennyiben a
fenti összefüggés helyes, és saját eredményeink általánosíthatók a
ribozimek nagyobb osztályára, úgy elmondhatjuk, hogy az önreplikáló
ribozim fennmaradása megoldott. Azaz lehet elég hosszú genom, ami
enzimként működve elegendő pontossággal rendelkezik saját maga
másolására. Az Eigen-paradoxon pont ennek ellenkezőjét állítja.
Az önreplikáló RNS-replikázon kívül azonban egy élő
sejtnek összetett anyagcserével kell rendelkeznie. Másolható-e ezzel a
pontossággal egy genom, ami minden szükséges enzimet tartalmaz? Andrés
Moya és munkatársai (Gabaldón et al., 2007) ötvenenzimes minimális
anyagcserét javasoltak, de ez csak a központi anyagcserét tartalmazza,
magát a replikációt például nem. Baktériumok minimális génkészletét
200 gén alá becsülik, viszont ez tartalmazza a DNS-szintézis és a
fehérjeszintézis minden génjét. Hasonlóan, Daniel C. Jeffares és
munkatársainak 15 ezer bázisos RNS genomja (Jeffares et al., 1998) is
túlbecsüli a szükséges méretet a transzláció és fehérjeszintézis
teljes génkészletének bevonása következtében. A minimális genomméretre
jó becslés a körülbelül 7000–8000 bázis. Ami 70–100 darab 70–100 bázis
hosszú gént jelent. A fentebb levő számolás alapján ehhez 0,999-es
másolási pontosság szükséges, ami az alsó határa az RNS-vírus
replikázoknak. Az egy-egy enzimre megengedhető 1–10% hibaráta helyett
tehát 0,1% hibarátára lenne szükség. Ez az egy nagyságrendnyi változás
akár a replikáz méretének és pontosságának finom lépésekkel való
növekedésével is megvalósítható, ahogy azt Scheuring István (2000)
felvázolta. További lehetőség, hogy a kisebb alegységekből összeálló
ribozimek egyes komponensei több ribozim felépítésében is részt
vesznek, így csökkentve a fenntartandó genomméretet (Garay, 2010).
Jelenleg pedig azon dolgozunk, hogy mutációra minél érzéketlenebb
szerkezeteket találjunk, amelyek alapjai lehetnek egy rövid, robosztus
genommal megvalósítható gazdag anyagcserének.
A DNS-fehérje-világban a hibaküszöb szigorú
korlátot szab a fenntartható genomméretnek. Az RNS-világban viszont
nem a szekvenciális információt, hanem az enzimek aktivitását
(szerkezetét) kellett fenntartani, ami lehetővé teszi viszonylag nagy
ribozimek másolását is. Az Eigen-paradoxon, bár még kísérti az élet
keletkezésének kutatóit, de már messze nem tűnik leküzdhetetlen
akadálynak, mint eredményeink előtt.
Kulcsszavak: biológia, evolúció, RNS, ribozim, az élet keletkezése,
Eigen-paradoxon
IRODALOM
Chumachenko, N. V. –, Novikov, Y. – Yarus,
M. (2009): Rapid and Simple Ribozymic Aminoacylation Using Three
Conserved Nucleotides. Journal of the American Chemical Society. 131,
5257–5263.
Drake, John W. – Charlesworth, B. –
Charlesworth, D. – Crow, J. F. (1998): Rates of Spontaneous Mutation.
Genetics. 148, 1667–1686.
Eigen, Manfred (1971): Selforganization of
Matter and the Evolution of Biological Macromolecules.
Naturwissenscaften. 10, 465–523.
Gabaldón, Toni – Peretó, J. – Montero, F.
– Gil, R. – Latorre, A. – Moya, A. (2007): Structural Analyses of a
Hypothetical Minimal Metabolism. Philosophical Transactions of the
Royal Society B. 362, 1761–1762.
WEBCÍM >
Garay J. (2010): Active Centrum
Hypothesis: The Origin of Chiral Homogenity and RNA-World. (benyújtva)
Illangasekare, Mali – Yarus, Michael
(1999): A Tiny RNA That Catalyzes Both Aminoacyl-RNA and Peptidyl-RNA
Synthesis. RNA. 5, 1482–1489.
WEBCÍM >
Jeffares, Daniel C. – Poole, A. M. –
Penny, D. (1998): Relics from the RNA World. Journal of Molecular
Evolution. 46, 18–36.
Johnston, W. K. – Unrau, P. J. – Lawrence,
M. S. – Glasen, M. E. – Bartel, D. P. (2001): RNA-catalyzed RNA
polymerization: accurate and general RNA-templated primer extension.
Science 292, 1319–1325.
Johnston, Wendy K. – Unrau, P. J. –
Lawrence, M. S. – Glasen, M. E. – Bartel, D. P. (2001): RNA-catalyzed
RNA Polymerization: Accurate and General RNA-templated Primer
Extension. Science. 292, 1319–1325.
Kun Ádám – Santos, M. – Szathmáry E.
(2005): Real Ribozymes Suggest a Relaxed Error Threshold. Nature
Genetics. 37, 9, 1008–1011.
Kun Ádám – Pongor S. – Jordán F. –
Szathmáry E. (2007): Catalytic Propensity of Amino Acids and the
Origins of the Genetic Code and Proteins. In: Barbieri, Marcello
(ed.): The Codes of Life: The Rules of Macroevolution. Springer
WEBCÍM >
Maynard Smith, John (1983): Models of
Evolution. Proceedings of the Royal Society B. 219, 315–325.
WEBCÍM >
Moore, Peter B. – Steitz, Thomas A.
(2002): The Involvement of RNA in Ribosome Function. Nature. 418,
229–235.
Scheuring István (2000): Avoiding Catch-22
of Early Evolution by Stepwise Increase in Copying Fidelity.
Selection. 1, 1–3, 13–23.
Schuster, Peter – Fontana, W. – Stadler,
P. F. – Hofacker, I. L. (1994): From Sequences to Shapes and Back: A
Case Study in RNA Secondary Structures. Proceedings of the Royal
Society B. 255, 279–284.
WEBCÍM >
Takeuchi, Nobuto – Poorthuis, P. H. –
Hogeweg, P. (2005): Phenotypic Error Threshold; Additivity and
Epistasis in RNA Evolution. BMC Evol. Biology. 5, 9.
WEBCÍM >
Zaher, Hani S. – Unrau, Peter J. (2007):
Selection of an Improved RNA Polymerase Ribozyme with Superior
Extension and Fidelity. RNA. 13, 1017–1026.
WEBCÍM >
|