[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出一个三阶段模型，解释标准遗传密码的演化：从仅含四个密码子的最小密码子体系开始，通过减少模糊性、消除无意义密码子以及受生长速率驱动的扩展逐步演化。该模型通过逐步扩大tRNA谱系，解释了遗传密码的错误容错性以及氨基酸合成酶的系统发育顺序，强调天然适配体的作用，并拒绝对所有可能密码子组合进行穷举测试的假设。

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.

研究动机与目标

• 解释标准遗传密码如何从原始最小状态逐步演化而来。
• 阐明翻译在仅有限密码子-反密码子配对条件下如何启动。
• 解释氨基酸-tRNA合成酶的系统发育有序分布的成因。
• 在不依赖对所有可能密码子组合进行穷举测试的前提下，解释遗传密码的错误容错性。
• 强调天然适配体在早期遗传密码演化中的功能作用。

提出的方法

• 提出一个原始四密码子体系，分别对应：GGC（甘氨酸）、GAC（天冬氨酸/谷氨酸）、GCC（类似丙氨酸）和GUC（类似缬氨酸）的分配。
• 将模糊性减少建模为扩展密码子体系的机制，通过为额外密码子（如CUC对应亮氨酸、AUC对应异亮氨酸）分配功能来实现。
• 在无意义密码子消除阶段引入UNN反密码子，导致在原始镜像对称结构上叠加形成家族框结构。
• 分析生长速率作为最终阶段tRNA谱系扩展的主要驱动力，解释氨基酸-tRNA合成酶演化顺序。
• 利用结构与进化约束，论证随机选择密码子体系的不合理性，支持通过逐步扩大tRNA谱系实现演化。
• 强调天然适配体在稳定和促进早期翻译组分中的功能性作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在仅包含有限密码子-反密码子配对的最小集合下，翻译如何启动？
• RQ2 在初始四个密码子之后，是什么机制推动了遗传密码的扩展？
• RQ3 尽管遗传密码结构复杂，为何仍表现出高度的错误容错性？
• RQ4 氨基酸-tRNA合成酶的系统发育有序模式是如何形成的？
• RQ5 天然适配体在翻译系统早期演化中发挥了何种作用？

主要发现

• 原始遗传密码很可能最初仅包含四个被分配的密码子：GGC（甘氨酸）、GAC（天冬氨酸/谷氨酸）、GCC（类似丙氨酸）和GUC（类似缬氨酸）。
• 通过模糊性减少机制，通过为CUC（亮氨酸）和AUC（异亮氨酸）等额外密码子分配功能，扩展了密码子体系。
• 在无意义密码子消除阶段引入UNN反密码子，导致在原始镜像对称结构上叠加形成家族框结构。
• 在密码子体系扩展的最终阶段，生长速率成为主导的选择压力，从而解释了氨基酸-tRNA合成酶演化顺序的观察结果。
• 错误容错性通过受控的、逐步扩展的tRNA谱系演化而形成，而非通过对所有可能遗传密码的穷举测试。
• 天然适配体在稳定和促进早期翻译组分方面发挥了关键功能作用。