[論文レビュー] Three phases in the evolution of the standard genetic code: how translation could get started

Peter van der Gulik|ArXiv.org|Nov 5, 2007

RNA and protein synthesis mechanisms参考文献 48被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、最小限の4コドンコードから出発し、曖昧性低減、ノンセンス除去、成長速度駆動選択の段階を経て拡大する、遺伝子コード進化の3段階モデルを提案する。このモデルは、コードの誤り耐性およびアミノアシル-tRNA合成酵素の系統発生的順序を段階的なtRNAレパートリー拡大を通じて説明し、体系的なコードの検証を否定する自然アプタマーの役割を強調する。

ABSTRACT

A primordial genetic code is proposed, having only four codons assigned, GGC meaning glycine, GAC meaning aspartate/glutamate, GCC meaning alanine-like and GUC meaning valine-like. Pathways of ambiguity reduction enlarged the codon repertoire with CUC meaning leucine, AUC meaning isoleucine, ACC meaning threonine-like and GAG meaning glutamate. Introduction of UNN anticodons, in a next episode of code evolution in which nonsense elimination was the leading theme, introduced a family box structure superposed on the original mirror structure. Finally, growth rate was the leading theme during the remaining repertoire expansion, explaining the ordered phylogenetic pattern of aminoacyl-tRNA synthetases. The special role of natural aptamers in the process is high-lighted, and the error robustness characteristics of the code are shown to have evolved by way of a stepwise, restricted enlargement of the tRNA repertoire, instead of by an exhaustive selection process testing myriads of codes.

研究の動機と目的

• 最小原始的状態からの標準遺伝子コードの起源と段階的進化を説明すること。
• 制限されたコドン-アンチコドン対応の初期段階で翻訳がどのように開始可能だったかを解明すること。
• アミノアシル-tRNA合成酵素の系統発生的順序を説明すること。
• すべての可能なコードを体系的にテストする必要なしに、コードの誤り耐性を説明すること。
• 自然アプタマーが初期コード進化における機能的役割を強調すること。

提案手法

• GGC（グリシン）、GAC（アスパラギン酸/グルタミン酸）、GCC（アラニン様）、GUC（バリン様）の4つのコドンに割り当てられた原始的4コドンコードを提案する。
• 曖昧性低減を、追加のコドン（例：レウシンにCUC、イソロイシンにAUC）を割り当てることでコード拡大を実現するメカニズムとしてモデル化する。
• ノンセンス除去段階においてUNNアンチコドンを導入し、元の鏡像対称性に重ね合わせたファミリー・ボックス構造を生じさせる。
• 最終段階のレパートリー拡大において、成長速度を駆動要因として分析し、アミノアシル-tRNA合成酵素の進化順序を説明する。
• 構造的および進化的制約を用いて、ランダムなコード選択を否定し、段階的tRNAレパートリー拡大を支持する。
• 自然アプタマーが初期翻訳成分の安定化と機能化に果たした機能的役割を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制限されたコドン-アンチコドン対応の最小セットから翻訳がどのように開始可能だったのか？
• RQ2 初期の4コドンを超えて遺伝子コードが拡大するのを駆動したメカニズムは何か？
• RQ3 複雑さにもかかわらず、なぜ遺伝子コードは高い誤り耐性を示すのか？
• RQ4 アミノアシル-tRNA合成酵素の系統発生的順序パターンはどのようにして生じたのか？
• RQ5 自然アプタマーは翻訳システムの初期進化においてどのような役割を果たしたのか？

主な発見

• 原始的遺伝子コードは、GGC（グリシン）、GAC（アスパラギン酸/グルタミン酸）、GCC（アラニン様）、GUC（バリン様）の4つのコドンに限定して始まった可能性がある。
• 曖昧性低減により、レウシンにCUC、イソロイシンにAUCといった追加のコドンが割り当てられ、コードが拡大した。
• ノンセンス除去段階でUNNアンチコドンが導入され、元の鏡像対称性に重ねられたファミリー・ボックス構造が生じた。
• 最終段階のコード拡大において、成長速度が支配的選択圧となり、アミノアシル-tRNA合成酵素の進化順序が説明された。
• 誤り耐性は、すべての可能な遺伝子コードを体系的にテストするのではなく、tRNAレパートリーの段階的・制限的拡大を通じて進化した。
• 自然アプタマーは、初期翻訳成分の安定化と機能化に重要な機能的役割を果たした。