Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции

Частота ошибок транскрипции гораздо выше, нежели частота ошибок репликации, а ошибки трансляции случаются еще более часто (см. рис. 9–4). Хотя экспериментальные измерения уровня ошибок включения аминокислот в ходе трансляции немногочисленны и ограничены несколькими модельными системами, все же ясно, что точность трансляции удивительно низка. В самом деле, частота встраивания ошибочных аминокислот составляет 10^-4—10^-5 – любопытно, что она близка к частоте ошибок репликации у РНК-вирусов. Получается, что около 20 процентов белковых молекул, синтезируемых в любой из клеток, содержат по меньшей мере одну неверную аминокислоту (Drummond and Wilke, 2009). Последствия ошибок транскрипции и трансляции, иногда метко называемых фенотипическими мутациями, очевидно, менее критичны, чем последствия генетических мутаций, по той причине, что фенотипические мутации, как правило, не наследуются (существуют примечательные исключения, например обратная транскрипция с последующим включением в геном ДНК-копии ошибочно транскрибируемой РНК; Burger et al., 2006). Учитывая сравнительно короткий срок жизни любой РНК или белковой молекулы, никакая фенотипическая мутация сама по себе не может оказать серьезного влияния на выживаемость, поэтому неудивительно, что для фенотипических мутаций допустимы гораздо более высокие частоты ошибок, чем для генетических мутаций. Однако столь же очевидно, что чрезмерно высокие темпы фенотипических мутаций несовместимы с жизнью. А значит, как и в случае с системами репарации ДНК, многочисленные механизмы, служащие для отслеживания ошибок транскрипции и трансляции, безусловно, существуют. Было показано, что коррекционная активность ДНК-зависимой РНК-полимеразы уменьшает процент ошибок на несколько порядков (Alic et al., 2007; Sydow and Cramer, 2009). Кроме того, также были открыты остающиеся пока слабоизученными процессы посттранскрипционного исправления ошибок метилирования в РНК (Begley and Samson, 2003; Falnes, 2005). Вероятно, из механизмов, контролирующих частоту фенотипических мутаций, лучше всего исследована коррекция аминоацил-тРНК-син тетазой (АРСазой), при которой молекулы аминоацил-тРНК, связанные с ошибочными аминокислотами, гидролизуются и утилизируются (Hussain et al., 2010; Ling et al., 2007). Упомянутая коррекция АРСазой дополняется рибосомной коррекцией на следующей стадии трансляции, при которой рибосома отбраковывает ошибочно связанные тРНК (Blanchard et al., 2004; Daviter et al., 2006). Однако значительное увеличение надежности трансляции, по-видимому, вступает в противоречие с требованием высокой скорости синтеза белка. Существенное повышение точности трансляции может быть легко достигнуто путем мутации конкретных позиций в рРНК или в рибосомных белках, но эти мутации оказываются вредными для клеток, по-видимому, из-за медленной трансляции (Dong and Kurland, 1995; Johansson et al., 2008).

Рис. 9–4. Типичные частоты ошибок на различных стадиях передачи биологической информации.

Эксперименты с точными, но медленными рибосомными мутантами позволяют предположить, что компромисс между скоростью и точностью трансляции связан с механическими ограничениями трансляционной системы и с трудом может быть преодолен мутациями в ее компонентах. В результате для ограничения ошибок трансляции и их пагубных последствий эволюция, похоже, выбрала другие способы адаптаций.

Твердо установлено, что «высокостатусные» гены (те, что интенсивно экспрессируются и медленно эволюционируют) обладают более выраженным предпочтением триплетов по сравнению с «низкостатусными» генами. Оптимальные триплеты, которыми насыщены гены с высоким статусом, обеспечивают более низкую частоту ошибок, равно как и более высокую скорость трансляции, и, таким образом, частично избегают вышеупомянутого компромисса (Drummond and Wilke, 2009, 2008). Асимметрия триплетов между высокостатусными и низкостатусными генами может объясняться ценой селекции; в силу этого заметный отбор оптимальных кодонов может идти только в генах высокого статуса.

Основным вредным эффектом ошибок трансляции считается неправильная укладка белка (Drummond and Wilke, 2009, 2008), хотя ошибки включения аминокислот в каталитических сайтах, безусловно, могут стать дополнительным фактором. Как уже говорилось в главе 4, отбор на устойчивость к неправильной укладке является одним из главных аспектов эволюции белков – возможно, даже ее основной движущей силой. Менее ясно, какой источник неверной укладки наиболее важен – изначально неправильная последовательность или ошибки при ее трансляции. В любом случае, хотя укладка белка обычно не рассматривается в качестве процесса передачи информации, в действительности она им является. В самом деле, укладка предполагает поток информации, идущий от одномерной аминокислотной последовательности к трехмерной структуре белка.