Postanak i rana evolucija geneti - bio.bg.ac.rs · Abiotička hemija – hemija početka ... (ribozomi, kodirana sinteza proteina) kasni RNK svet (proto ribozomi, tRNK, genetički

Postanak i rana evolucijagenetičkih sistema

Modularnost: evolucija kroz udruženu regulaciju (delovi i celina)

1. 2. 3. 4.

5.

6.7.

8. 9.

Podaci Svemir – pre 13.8 mlrd. god.

Sunčev sistem i Zemlja – pre 4.5 - 4.6 mlrd. god.

Relativna termalna stabilnost, starost najstarijih stena i prvihokeana – pre oko 4 mlrd. god.

Najstariji nesporni ćelijski fosili – 3.465 mlrd. god. (Australija i Afrika)

Na osnovu izotopa C u kristalima cirkona (pokazatelj biogenog porekla C) – život pre 4.1 mlrd. god.

Sigurno: Tranzicija ka životu desila se u periodu od 4.1 do 3.5 mlrd. god.

Endogeni: Metan (CH4) i azot u atmosferi → orijentacija ka sintezi nitrila, posebno

cijanovodonika (HCN) – procena 0.4 g/l u okeanu

Azot-monoksid (NO) – rastvaranje u vodi + Fe (kataliza) → amonijak (NH3)

Vodonik sulfid (H2S) – iz vulkana i ventova

Egzogeni (analiza ugljovodoničnih hondrita): 70 različitih aminokiselina, HCN (veoma zastupljen)

Aromatični organski molekuli PAH – policiklični aromatični ugljovodonici (veoma zastupljeni)

U jednom eksperimentu spontano ugrađeni u membrane vezikula masnih kiselina

→ stabilizatori membranskih struktura (slično današnjem holesterolu)

Alifatične kiseline (do 8 C atoma), alkilni fosfonati, heterociklični pirimidini

Masne kiseline i druga “membranogena jedinjenja”

Inventar hemijskih jedinjenja-sastav-

U zbiru – materijala dosta

Sutherland et al. 2009: Acetilen (H2C2) + formaldehid (CH2O) → azotne baze

Sutherland et al. 2015: HCN + H2S + UV (energija) → prekursori azotnih baza, aminokiselina,

lipida

H2S kao reduktant, kataliza foto-redox ciklusima Cu(I) - Cu(II)

Od najjednostavnijih jedinjenja → gradivni blokovi ključnih makromolekula

Uslovi za svaku reakciju donekle različiti – npr. metali katalizatori

Abiotička hemija – hemija početka

Redoks hemija

redoks hemija:H2 i CO2 redoks par → redukovana

jedinjenja ugljenikametali - katalizatori

U geohemiji:-Sinteza TIOESTARA (energetski molekuli) – ključna veza između geohemije i biohemije

U simuliranim uslovima:-neenzimski nastaju acetil-tioestri (acil-fosfat) – velika E pri hidrolizi acil-fosfatnih veza (prva energetska valuta)-Danas – „prošireni tioestri” derivati koenzima A - acetil-CoA-ulazak fosfata u metabolizam – prekurzor ATPa

Ključna reakcija sa redukujućom snagom:

FeS + H2S → FeS2 + 2e- + 2H+

- neorganski supstrat donor elektrona i energije

Od tioestara se lako nastavljaju reakcije sa dobijanjem više C atoma – fiksacija CO2:Npr.

CH3COSH + CO2 + FeS ↔ CH3COCOOH + FeS2

Prebiotički metabolizam Univerzalni metabolizam (Morowitz, 1991-2000)

Započinje sa CO2 i reduktantima - koristi redox par kao izvor E

153 molekula (od 4.5 mil.) ulazi u Krebsov ciklus

Postoji univerzalni metabolizam koji je u centru života

Enzimi su došli kasnije

Lepota pirita (FeS2) “gvožđe-sumporni svet” – metabolizam bez fosfata (Goldford et al. 2017,

analiza metaboličkih mreža)

pH i Fe – kataliza glikolize i pentozne fosfatne reakcije (Keller et al., 2017, Science Advances)

Metabolizam na glini i mineralnim površinama glina i minerali mogu adsorbovati organske molekule

Visoka koncentracija molekula

Templejt za polimerizaciju

Dvodimenzionalni metabolizam

Kada i gde?

VENTISTI – oko 4 mlrd.god.(Nick Lane, Dodd et al., Nature 2017)

GEOTERMALNI izvori – više od 3.5 mlrd.Djokic et al. (Nature Communications 2017)

PLITKA MORA – oko 3.7 mlrdNutman et al. (Nature 2016)

“Protobiološke” faze

Mnoštvo među-molekulskih interakcija

“prenatrpanost reakcija uprebiotičkoj hemiji”-neorganska kataliza

-molekuli koji su fizičko-hemijskistabilni

Kakve složene molekulske strukture opstaju?

KONTINGENCIJA – simultane interakcije više nezavisnih i istovremenih faktora koji oblikuju događaj u datom vremenu i prostoru.Ali, svaki nezavisni faktor IMA svoju determinističku prirodu – živi sistem u jednom trenutku je kontingentan na faktore iz prošlog trenutka.

p

q

ab

c

d p

q

a

b

c

d

Uzdizanje kompleksnosti i emergencija Od jednostavnih organskih molekula (monomera) do polimera,

pa do “živih” molekulskih sistema – povećanje molekulske kompleksnosti = postanak života

Samo-organizovanje sistema po fizičkim i hemijskim zakonima: neka ukrupnjavanja su termodinamički favorizovana (npr. micelarne

strukture od masnih kiselina)

održivi su samo procesi i strukture koji su termodinamički stabilni

Ajgenov prag i paradoks

Osnovni evolucioni principi: nasleđivanje + varijabilnost + prirodna selekcija

Ali, tačnost nasleđivanja zavisi od količine informacije u replikujućem sistemu!

Ajgenov prag – molekuli duži od 1/u imaju više od 1 mutacije po replikacionom ciklusu → ne poseduje dovoljnu naslednost da bi se smatrao (samo)replikujućim. maksimalna dužina oligonukleotida ispod praga greške ograničena stopom

mutacija

Ako je samoreplikujući “Ur-gen” bio RNK, njegova dužina je bila manja od 100 nukleotida.

Ajgenov paradoks – tačna replikacija zahteva duže oligonukleotide, a prag greške postavlja granice za duže genome!!

Manfred Eigen

HIPERCIKLUSI

Autokatalitički (hiper)ciklus-Multimolekulski koherentan entitet sa strukturom veće složenosti-RNK sistemi (molekulski fosili):

- 3D struktura (upetljavanje)- mali delovi zadržavaju funkcionalnu strukturu- iz nekovalentnih interakcija malih RNK → kovalentno povezivanje

Vaidya et al. (2012) - ribozim introna grupe I kod bakterije Azoarcus (200nt):-autokataliza povezivanja sopstvenih fragmenata-spontano formiranje kooperativnih katalitičkih ciklusa i mreža fragmenata-brža rekonstrukcija ribozima

Darvin-Ajgenov ciklus

- serija koraka u kojima se povećava tačnost replikacije i veličina genoma – Pozitivna povratna sprega

- Simulacija ubacivanja novih molekula u replikacioni sistem:- kooperativni sistemi pokazuju optimizaciju i rast količine

informacije- primer postepenog porasta složenosti – katalaza

Genetički paradoks:Zašto su RNK molekuli postajali duži? (kad se kratki brže replikuju)-TERMOFOREZA (2015) - temperaturni gradijent

-fizički proces – veliki i naelektrisaniji molekuli se talože u hladnijoj vodi

RNK je i “kokoška” i “jaje”, tj. i genotip i fenotip!

RNK je evoluirala!!

Kandidati: TNK (treozna nukleinska kiselina)

PNK (peptidna nukleinska kiselina)

GNK (glikolna nukleinska kiselina)

ANK (amiloidna nukleinska kiselina)

Prvi “genetički” sistemi – pre-RNK sveti RNK-svet

Alternative RNK svetu:-bifenilski molekuli (gradivni elementi teško sintetisani u prebiotičkoj hemiji)-neki drugi šećeri (narušena komplementarnost nukleotida, jačina veze zavisi od sekvence)

Šta sve može RNK?

Nosilac genetičke informacije (iRNK, virusi)

Veza između aminokiselina i genetičkog koda (tRNK)

U ribozomima, strukturna i katalitička funkcija

Ribonukleotidni prekurzori u sintezi DNK (RNK prajmeri)

Dezoksiribonukleotidi iz ribonukleotidnih prekurzora

Ribonukleozidni trifosfati – osnovni izvori biološke energije (ATP, GTP)

Kofaktor mnogih proteinskih enzima (FAD, NAD, NADP, itd)

Obrada iRNK (uloga u splajsozomima)

Regulatorna uloga

Ribozimska aktivnost

Ribozimi

“RNK enzimi” – kataliza različitih reakcija u ćeliji

Otkriće da kod cilijatne protozoe intron u genu za rRNK može da iskroji sam sebe nakon transkripcije

RNaza P je ribozim (jedna od najstarijih komponenti živih

sistema) – učestvuje u obradi pre-tRNK

Otkriveno na desetine ribozima koji katalizuju brojne reakcije

Sidney Altman

Thomas Cech

Tetrahymena termophila

In vitro evolucijom poboljšane katalitičke funkcije ribozima ili dobijene potpuno nove:

-fosforilacija-aminoacilni transfer-formiranje peptidnih veza-formiranje ugljovodoničnih veza-aptameri

Spiegelman-Qβ virus

-RNK-replikaza

“Sveti gral” postanka života

Sveti gral otkrivanja početka života

– otkriće “RNK zavisne RNK replikaze”

Pomaci: Johnston et al. (2001) – ribozim R18 - dodaje 14 nukleotida na

rastući lanac RNK koristeći RNK templejt (umesto replikaze).

Wochner et al. (2011) – sintetički ribozim tC19Z – dodavanje 95 nukleotida na rastući lanac RNK koristeći RNK templejt (skoro 50% samog ribozima)

Uspešno replikovao i druge ribozime sa očuvanim funkcijama

kasni DNK svet

DNK svet(U u T, poboljšani sistemi

reparacije DNK)

U-DNK svet(ribonukl reduktaza,

rana reparacija DNK)

svet dvolančane RNK

svet RNK-proteini(ribozomi, kodirana sinteza

proteina)

kasni RNK svet(proto ribozomi, tRNK,

genetički kod)

rani RNK svet

pre-RNK svet

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

?

u po nukl mestu

Evolucija bioloških sistema prema Darvin-Ajgenovom ciklusu

Postanak prvih sistema (triplikazni model)

-interakcije RNK u ribozomu su starije od proteinske uloge; -konzervisanost PTCa;-tRNK, 16S, 5S, 23SrRNK (A i P mesto) – molekuli manji od 100nt, a proteini postepeno uključivani u ribozom

Funkcija protoribozoma-replikacija RNK -kasnije kooptirana za sintezu proteina

Protoribozomiu centru postanka genetičkih sistema.

trostepeni zupčanik odredio dužinu genetičkog koda

“Invazija proteina” (Morgens 2013)

Kakva je korist od AK i peptida u RNK usaglašenom sistemu?

Kako su funkcionalno povezane dve grupe molekula –RNK i AK?

→ GENETIČKI KOD

Abiogena sinteza peptida....

“Peptidi (protenoidi) pre proteina”

Razlozi za kooptiranje peptida (1)

“Peptidi kao kofaktori” stabilizovanje konformacije ribozima ili,

čak, prisustvo u aktivnom mestu

→ poboljšane ili nove funkcije ribozima → selekcija ribozima

“Replication tag” Mesto vezivanja AK = mesto početka replikacije RNK (smanjeno

negativno naelektrisanje)

Adapterski molekul proto-tRNK sa vezanom AK → smanjeno negativno naelektrisanje

→ selekcija: Preferencijalno umnožavanje

Precizno umnožavanje

Razlozi za kooptiranje peptida (2)

Razlozi za kooptiranje peptida (3)

“Sprečavanje formiranja dsRNK” Adapterski molekul t-RNK

- donor nukleotida

- deacilacija olakšava odvajanje rastućeg lanca

Razlozi za kooptiranje peptida (4)-centralna uloga tRNK-

Struktura tRNK

-CCA akceptorski (miniheliks) krak (vezivanje AKe) evoluciono stariji → sinteza proteina kao nekodirajući proces-Antikodonska petlja nastala duplikacijom miniheliksa

Razlozi za kooptiranje peptida (5)-centralna uloga tRNK-

“tRNK-tRNK”

“Medijacija tRNK-tRNK interakcije” Veze između dve proto-tRNK

stabilizuje treća RNK: proto-iRNK

“Pobeda” proteina

“Atrofija RNK” Primitivni peptidi stabilizuju aktivno mesto ribozima →

Evolucija preciznosti proteinske sinteze →

Usložnjavanje peptida oko njegove prvobitne uloge →

Precizniji proteini izgrađuju strukturu oko RNK aktivnog mesta →

RNK atrofira

(preoteini u akciji sa nukleotidnim koenzimima – NADH, koenzimA i sl.)

kasni DNK svet

DNK svet(U u T, poboljšani sistemi

reparacije DNK)

U-DNK svet(ribonukl reduktaza,

rana reparacija DNK)

svet dvolančane RNK

svet RNK-proteini(ribozomi, kodirana sinteza

proteina)

kasni RNK svet(proto ribozomi, tRNK,

genetički kod)

rani RNK svet

pre-RNK svet

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

?

u po nukl mestu

Korak od RNK replikacije do translacije proteina je najmanje poznat.- savremena mašinerija sinteze proteina nije ostavila tragove prošlosti.

Konačan evolucioni skok – pojava proteina sa katalitičkim svojstvimaSelekcija počinje da deluje na (čist) fenotip – protein, ne na RNK

Tripletni kod

Pre sinteze proteina nije nastao ceo genetički kod, već samo princip tripletnog koda.

Zašto se koristi samo 4 nukleotida u genetičkom kodu (A,U,G,C)? Mora biti paran broj zbog komplementarnosti

Samo 2 – ogroman broj 3-dimenzionalnih struktura (nepouzdanost funkcije)

6 nukleotida – prevelika rigidnost u formiranju 3-D strukture

Ceo genetički kod

Evolucija od jednostavnog i nepreciznog koda ka preciznijem.

Genetički kod je postepeno sticao amino-kiseline.

Selekcija se morala dešavati davno.

- Ajgen pretpostavio prvobitno korišćenje dve baze (G i C) u kodu od 3 nukleotida → 4 umesto 20 AK (gly, ala, asp, val)

Nepolarnehidrofobne

Polarne, naelektrisanehidrofilne,reaktivnije

-Walter Fitch – genetički kod na početku nije pravio razlike između AK; dužina kodona 3; samo je srednja baza bila važna (jedan ili drugi tip AK) → proteini dele mali broj zajedničkih osobina (hidrofilnost i hidrofobnost) → kasnije “redukcija neodređenosti”

Odnos između AK i genetičkog koda je rezultat slučajne davne asocijacije – “zaleđena slučajnost” (Crick 1968)

Koevoluciona hipoteza – na početku, malobrojne AK su podelile dostupne kodone, pa su nove preuzimale kodone od svojih prekursorskih AK (biosintetski putevi AK).

Hipoteza “minimiziranja translacionih grešaka” – postepena evolucija koda koji je vremenom smanjivao posledice grešaka u translaciji (npr. zamena nukleotida, posebno na 3. mestu ne dovodi do zamene AK ili je zamena sličnim AK).

Stereohemijska hipoteza – vezivanje AK za određeni kodon je rezultat njihovih hemijskih afiniteta (Woese 1967).

Ceo genetički kod

RNK operacioni kod

Determinante na akceptorskom kraku

Operacioni kod može biti stariji od genetičkog koda

Duplikacija miniheliksa → u početku operacioni i genetički kod identični (homolozi 3 baze iza CCA)

Postepenost evolucije genetičkog koda- postepeno sticanje AK -

Granold et al. (Cell, 2018): uvođenje AK postepeno i adaptivno (poboljšavanje uvijanja, funkcije i stabilnosti proteina) Zašto ovih 20 (među 556)?

Samo je 14 AK dovoljno za konformaciju i funkcionalnost osnovnihproteina.

Ekspanzija iznad 14 AK se objašnjava povećanjem koncentracije O2

Trend: starije AK su „hard“ (manje, visoko naelektrisane, slabo polarizovane), a novije su „soft“ (veće, nisko naelektrisane, jako polarizovane).

Soft AK: povećana redox svojstva – povećana kinetička stabilnost u reakcijama transfera elektrona (najreaktivnije sa peroksidima, tj. ROS)! Fiksacija Tirozina, Triptofana i Metionina u vreme proliferacije prokariotskih linija

(analiza starosti njihovih aminoacil-tRNK sintetaza - nakon LUCA)