Аннотация белковых доменов у LUCA позволила установить порядок появления аминокислот в генетическом коде

В каком порядке появились аминокислоты, из которых состоят белки всех современных живых организмов? Несмотря на все предпринятые попытки ответить на этот вопрос, который непосредственно касается зарождения жизни на Земле, однозначного мнения до сих пор не существует. В поисках решения ученые из США, Австралии и Германии воспользовались филогенетическим подходом.

Чтобы сделать вывод о древности какой-либо из аминокислот, не обязательно знать возраст всего белка, достаточно определить только возраст какого-нибудь из его доменов — основной белковой единицы, которая может независимо приобретать пространственную структуру, функционировать и эволюционировать. Обратившись к базе данных Pfam, ученые аннотировали белковые домены, присутствующие у LUCA — последнего универсального общего предка всех ныне живущих на Земле клеточных организмов.

У LUCA были обнаружены основные белковые домены ферментов водородного метаболизма, а также восстановления нитратов и сульфатов. Домены нитрогеназ при этом у LUCA отсутствовали, что подтверждает более позднее возникновение процесса азотфиксации у его потомков. Также LUCA обладал ферментами биосинтеза и утилизации S-аденозилметионина (SAM), такими как метионин-аденозилтрансфераза и S-аденозилметионин-декарбоксилаза. Последняя взаимодействует с SAM на первом этапе синтеза полиаминов, что свидетельствует о ранее не изученной консервативности этих биохимических процессов.

У более эволюционно древних белков равномернее распределены гидрофобные аминокислоты, поскольку это снижает риск неправильного сворачивания белка и способствует приобретению правильной пространственной структуры. Домены белков LUCA в соответствии с этой тенденцией имеют еще более равномерное распределение аминокислот, чем все «современные» белковые последовательности.

Исследователи выяснили, что у LUCA чаще, чем у его потомков, встречаются аминокислоты меньшего размера и реже — более крупные. На основе этого они предположили, что маленькие аминокислоты возникли в эволюции раньше.

Оказалось, что глутамин вошел в состав белков позже, чем считалось ранее, и стал предпоследней из 20 аминокислот в генетическом коде (последней считался триптофан). Это согласуется с тем, что фермент глутамин-тРНК-синтетаза, обеспечивающий присоединение глутамина к соответствующей тРНК в ходе трансляции, либо отсутствует у прокариот, либо приобретен ими в результате горизонтального переноса генов от эукариот.

Напротив, метионин, цистеин и гистидин были широко представлены у LUCA, хотя до этого считалось, что они добавились к генетическому коду позже. Метионин и цистеин, как известно, представляют собой единственные серосодержащие аминокислоты, и современные прокариоты, живущие в богатой сероводородом (H₂S) среде, содержат больше этих аминокислот в своих белках, чем другие аналогичные виды. Это значит, высокая доля цистеина и метионина в белковых доменах LUCA может свидетельствовать о том, что этот общий предок всех современных организмов на Земле также обитал в богатой H₂S среде. Авторы предположили, что распространенный у ранних форм жизни метионин мог защищать их от активных форм серы, таких как сульфид (S^2-), которые присутствовали в богатой в то время H₂S среде.

Триптофан и тирозин классифицируются как антиоксиданты наряду с метионином. Однако эти две аминокислоты оказались одними из последних приобретений современного генетического кода — это согласуется с существующим мнением о добавлении этих аминокислот после того, как существенной угрозой стали активные формы кислорода.

Отследив эволюционное прошлое генетического кода еще глубже, ученые обнаружили, что у более ранних, чем LUCA, организмов еще чаще встречается гистидин. Вероятно, это объясняется его структурным сходством с пуриновыми основаниями и способностью связывать ионы металлов.

Интересно, что триптофан, который было принято считать самой «поздней» аминокислотой, часто встречался у предшественников LUCA.

Кроме того, исследователи отметили роль горизонтального переноса генов у LUCA и более ранних организмов. Они выяснили, что исходно высокий уровень горизонтального переноса генов снижался после установления общего кода — и тогда формировалось видовое древо.

Таким образом, авторы уточнили порядок включения двадцати аминокислот в современный генетический код. На основе своих данных они также выдвинули предположение, что до появления современного генетического кода и специфичных аминоацил-тРНК-синтетаз существовала альтернативная система, обусловленная в том числе геохимическими особенностями, в которых обитала древняя жизнь на Земле.

LUCA оказался древнее, чем было принято считать