גנים הם אבני הבניין של החיים, והקוד הגנטי מספק את ההוראות לתהליכים המורכבים הגורמים לאורגניזמים לתפקד. אבל איך ולמה זה היה כמו שזה? מחקר שנערך לאחרונה מאוניברסיטת אילינוי אורבנה-שמפיין שופך אור חדש על מקורו והתפתחותו של הקוד הגנטי, ומספק תובנות חשובות להנדסה גנטית וביואינפורמטיקה.
הסופר המתאים גוסטבו ר.
עבודתו של Caetano-Anollés מתמקדת בפילוגנומיקה, שהיא המחקר של מערכות יחסים אבולוציוניות בין הגנום של האורגניזמים. צוות המחקר שלו בנה בעבר עצים פילוגנטיים שממפו את קווי הזמן האבולוציוניים של תחומי חלבון (יחידות מבניות בחלבונים) והעברת RNA (TRNA), מולקולת RNA המספקת חומצות אמינו לריבוזום במהלך סינתזת החלבון. במחקר זה הם בדקו את התפתחות רצפי הדיפפטיד (מודולים בסיסיים של שתי חומצות אמינו הקשורות על ידי קשר פפטיד), ומצאו את ההיסטוריה של תחומים, tRNA ודיפפטידים כולם תואמים.
החיים על פני כדור הארץ החלו לפני 3.8 מיליארד שנה, אך הגנים והקוד הגנטי לא הופיעו עד 800,000 מיליון שנה אחר כך, ויש תיאוריות מתחרות לגבי האופן בו זה קרה.
יש מדענים שמאמינים כי פעילות אנזימטית מבוססת RNA הגיעה ראשונה, בעוד שאחרים מציעים כי חלבונים התחילו לעבוד יחד. המחקר של קטאנו-אנולס ועמיתיו בעשורים האחרונים תומך בתפיסה האחרונה, ומראה כי חלבונים ריבוזומליים ואינטראקציות TRNA הופיעו מאוחר יותר בציר הזמן האבולוציוני.
החיים פועלים על שני קודים שעובדים יד ביד, הסביר קאטאנו-אנולס. הקוד הגנטי מאחסן הוראות בחומצות גרעין (DNA ו- RNA), ואילו קוד החלבון אומר לאנזימים ומולקולות אחרות כיצד לשמור על תאים בחיים ופועל. גישור בין השניים הוא הריבוזום, מפעל החלבון של התא, המרכיב חומצות אמינו הנישאות על ידי מולקולות tRNA לחלבונים. האנזימים העמוסים את חומצות האמינו על ה- tRNA נקראים סינתזות aminoacyl tRNA. אנזימים סינתזים אלה משמשים כאפוטרופוסים של הקוד הגנטי, ומעקב אחר שהכל עובד כראוי.
מדוע החיים מסתמכים על שתי שפות – אחת לגנים ואחת לחלבונים?. אנחנו עדיין לא יודעים מדוע מערכת כפולה זו קיימת או מה מניע את הקשר בין השניים. הנהגים לא יכלו להיות ב- RNA, שהוא מגושם פונקציונלי. חלבונים, לעומת זאת, הם מומחים להפעלת המכונות המולקולריות המתוחכמות של התא. "
גוסטבו קאטאנו-אנולס, פרופסור במחלקה למדעי היבול, המכון קרל ר. ווואס לביולוגיה גנומית, ומדעי הביו-רפואה והתרגום של המכללה לרפואה של קרל אילינוי באוניברסיטת I
נראה כי הפרוטאום מתאים יותר להחזיק את ההיסטוריה המוקדמת של הקוד הגנטי, כאשר דיפפטידים מילאו תפקיד משמעותי במיוחד כמודולים מבניים מוקדמים של חלבונים. ישנם 400 שילובי דיפפטיד אפשריים ששפעם משתנים בין אורגניזמים שונים.
צוות המחקר ניתח מערך נתונים של 4.3 מיליארד רצפי דיפפטיד על פני 1,561 פרוטאומים המייצגים אורגניזמים משלושת הסופרקינגדומים של החיים: ארכאה, חיידקים ואוקריה. הם השתמשו במידע כדי לבנות עץ פילוגנטי וכרונולוגיה של התפתחות דיפפטיד. הם גם מיפו את הדיפפטידים לעץ של תחומים מבניים חלבוניים כדי לראות אם קמו דפוסים דומים.
בעבודה קודמת, החוקרים בנו פילוגניה של TRNA שעזר לספק ציר זמן של כניסת חומצות אמינו לקוד הגנטי, תוך סיווג חומצות אמינו לשלוש קבוצות על בסיס כאשר הופיעו. העתיקים ביותר היו קבוצה 1, שכללה טירוזין, סרין ולוצין, וקבוצה 2, עם 8 חומצות אמינו נוספות. שתי קבוצות אלה היו קשורות למקור העריכה באנזימי סינתזות, אשר תיקנו העמסה לא מדויקת של חומצות אמינו, וקוד מבצעי מוקדם, שקבע את כללי הספציפיות הראשונים, מה שמבטיח שכל קודון תואם לחומצה אמינית יחידה. קבוצה 3 כללה חומצות אמינו שהגיעו מאוחר יותר וקשורות לפונקציות נגזרות הקשורות לקוד הגנטי הסטנדרטי.
הצוות כבר הדגים את התפתחות המשותפת של סינתזות ו- tRNA ביחס למראה של חומצות אמינו. כעת, הם יכולים להוסיף דיפפטידים לניתוח.
"מצאנו שהתוצאות היו בהתייחסות", הסביר קאטאנו-אנולס. "הלימה היא מושג מפתח בניתוח פילוגנטי. פירוש הדבר כי הצהרת התפתחות המתקבלת עם סוג אחד של נתונים מאושרת על ידי אחר. במקרה זה, בדקנו שלושה מקורות מידע: תחומי חלבון, tRNAs ורצפי דיפפטיד. שלושתם חושפים את אותה התקדמות של חומצות אמינו המתווספות לקוד הגנטי בסדר ספציפי."
ממצא רומן נוסף היה הדואליות במראה של זוגות דיפפטיד. כל דיפפטיד משלב שתי חומצות אמינו, למשל, אלנין-לוצין (AL), ואילו סימטרי-אנטי-דיפפטיד-יש את השילוב ההפוך של לאוצין-אלנין (LA). שני הדיפפטידים בזוג משלימים; הם יכולים להיחשב תמונות מראה זו של זו.
"מצאנו משהו מדהים בעץ הפילוגנטי," אמר קאטאנו-אנולס. "מרבית הזוגות של דיפפטיד ואנטי-דיפפטיד הופיעו קרובים זה לזה בציר הזמן האבולוציוני. סינכרוניזם זה לא היה צפוי. הדואליות חושפת משהו מהותי לגבי הקוד הגנטי עם השלכות טרנספורמטיביות שעלולות להיות טרנספורמציות. אנזימים. "
דיפפטידים לא התעוררו כשילובים שרירותיים אלא כאלמנטים מבניים קריטיים שעיצבו קיפול ותפקוד חלבון. המחקר עולה כי דיפפטידים מייצגים קוד חלבון קדמוני המופיע בתגובה לדרישות המבניות של חלבונים מוקדמים, לצד קוד מבצעי מבוסס RNA. תהליך זה עוצב על ידי אבולוציה משותפת, עריכה מולקולרית, קטליזה וספציפיות, ובסופו של דבר הוליד את האנזימים הסינתזים, האפוטרופוסים המודרניים של הקוד הגנטי.
חשיפת השורשים האבולוציוניים של הקוד הגנטי מעמיקה את הבנתנו את מקור החיים, והיא מודיעה על שדות מודרניים כמו הנדסה גנטית, ביולוגיה סינתטית ומחקר ביו -רפואי.
"הביולוגיה הסינתטית היא הכרה בערך של נקודת מבט אבולוציונית. היא מחזקת הנדסה גנטית על ידי מאפשר לטבע להנחות את העיצוב. הבנת העתיקה של רכיבים ותהליכים ביולוגיים חשובה מכיוון שהיא מדגישה את חוסן העמידות שלהם ואת עמידותם לשינוי. כדי ליצור שינויים משמעותיים, חיוני להבין את האילוצים וההיגיון של הלוגן הגנטי," אילנטה.
העיתון, "התחקות אחר מקורו של הקוד הגנטי והתרמוסטיות לרצפי דיפפטיד בפרוטאומים", מתפרסם ב כתב העת לביולוגיה מולקולרית (10.1016/j.jmb.2025.169396). המחברים כוללים את מינגלי וואנג, מ. פייז עזיז וגוסטבו קאטאנו-אנולס.
המחקר נתמך על ידי מענקים מהקרן הלאומית למדע (MCB-0749836 ו- OISE-1132791), מחלקת החקלאות של ארצות הברית (ILLU-802-909 ו- ILLU-483-625) והקצאות סופר-מחשב-על-סופר-מחשב מהמרכז הלאומי ליישומים מעשבי-על לקאנטנו-קולס.
