Genetický kód

Základními molekulami důležitými pro život jsou nukleové kyseliny a proteiny. Nukleové kyseliny genetickou informaci uchovávají, proteiny ji uskutečňují. V úvahách o počátcích života si vědci často kladou otázku, co bylo dříve, zda proteiny, či nukleové kyseliny. Proteiny zajišťují syntézu nukleových kyselin, nukleové kyseliny zas nesou informaci o struktuře proteinů. Klasický problém slepice a vejce.

Objev ribozymů a svět RNA

Průlomem v pátrání po nejstarších molekulách nesoucích dědičnou informaci byl objev enzymaticky aktivní molekuly RNA – ribozymu. ¹⁾ Začal se zkoumat svět RNA, který předcházel dnešnímu světu DNA a proteinů. Postupně se ukazovalo, že molekuly RNA jsou schopny vytvářet své kopie, prodlužovat i spojovat jiné molekuly RNA, popř. syntetizovat peptidy – dovedou tedy informaci jak uchovávat, tak uskutečňovat. Teprve později převzala péči o uchovávání informace DNA.

Zatímco v RNA je cukernou složkou ribóza, v DNA je to méně reaktivní deoxyribóza. Vyšší reaktivita by se sice hodila v molekule fungující jako enzym, ale pro uchování informace je výhodnější určitá stabilita (proto jsou molekuly DNA delší než molekuly RNA).

Další výhodou DNA je pružnost prostorového uspořádání. V řadě procesů fungují různá uspořádání DNA jako přepínače. Úlohu realizátora genetické informace převzaly proteiny, které mají vyšší účinnost a širší spektrum urychlených reakcí.

A přesto mají dodnes molekuly RNA v realizaci genetické informace důležitou roli. Mediátorová RNA (mRNA) nese přepis genetické informace z jádra do místa syntézy proteinů v ribozomech. Ribozomy jsou tvořeny vedle proteinů i několika typy molekul ribozomální RNA (rRNA). Na povrch ribozomů, kde probíhá syntéza proteinů, jsou dopravovány stavební jednotky proteinů – aminokyseliny – prostřednictvím molekul transferové RNA (tRNA). I klíčová reakce při tvorbě proteinů – peptidická vazba spojující aminokyseliny – se uskutečňuje prostřednictvím ribozymu, tedy molekuly RNA. Informace nesená mediátorovou RNA je čtena po trojicích bází (tripletech), na něž se vážou svými komplementárními trojicemi (antikodony) molekuly transferové RNA (obrázek 1), vždy guanin s cytosinem a uracil s adeninem. A právě soubor pravidel, podle nichž pořadí nukleotidů v DNA určuje pořadí aminokyselin v proteinech, se nazývá genetický kód.

Degenerace kódu a odchylky

Jak může být jazyk čtyř písmen (řeč DNA), přeložen do jazyka dvaceti slov (řeči proteinů)? Fyzik George Gamow již dávno před objevem genetického kódu konstatoval, že dinukleotidový kód by nestačil (kódoval by pouze 4² = 16 aminokyselin), a navrhl kód tripletový. Jeho předpověď se potvrdila. Vzhledem k tomu, že každý kodon je vždy tvořen trojicí bází, jichž jsou čtyři druhy, kodonů je celkem 64 (=4³). Z toho tři kodony (stop-kodony) nekódují aminokyselinu, nýbrž určují konec tvorby proteinu. Aminokyselin kódovaných zbývajícími 61 kodony je ale jen 20 – některé aminokyseliny jsou kódovány více kodony. A v tom spočívá degenerace genetického kódu. Například leucin, arginin a serin jsou kódovány každý šesti kodony. Dvě aminokyseliny jsou určovány pouze jediným kodonem. Jedna z nich (metionin) označuje začátek transkripce. Kodony pro stejnou aminokyselinu se liší zpravidla jen ve třetí pozici kodonové trojice (obrázek 2), a tak mnohé mutace vůbec nezpůsobí záměnu aminokyseliny.

Vědci byli fascinováni skutečností, že tentýž kód používají viry, bakterie i člověk. Zpočátku se hovořilo o „univerzálním“ kódu, potvrzujícím jednotný princip všeho živého. Velkým překvapením bylo zjištění, že se kód v mitochondriích od „univerzálního“ kódu v lecčems liší. Mitochondrie byly původně volně žijící bakterie, než se staly součástí eukaryontních buněk, a uchovaly si část původní genetické informace. Odchylky od genetického kódu byly postupně nalezeny u některých bičíkovců, kvasinek, bakterií i archeí. Kód není tak univerzální, jak se zdálo, je jen „standardní“. A jestliže není úplně neměnný, nemusel vzniknout naráz, mohl se vyvíjet.

Vznikl genetický kód najednou, nebo se postupně měnil?

Přestože byl genetický kód rozluštěn již před čtyřmi desetiletími, zůstává obklopen řadou otázek. Existovalo na počátku všech 20 aminokyselin, z nichž jsou proteiny poskládány dnes, anebo první proteiny vystačily s menším počtem? Podle hypotézy náhodného zamrznutí se kód neměnil (neboť eventuální změny by způsobily mutace, které by organizmus zahubily). Máme-li více kódů, museli bychom připustit, že jim předcházelo více „náhodných zamrznutí“, ale to už by těch náhod bylo nějak moc. Dnes proto převládá názor, že se genetický kód postupně vyvíjel. Nastaven je tak, aby minimalizoval dopad chyb (v mnoha případech záměna nukleotidu v kodonu nevede k záměně aminokyseliny). Takové šikovné nastavení lze vysvětlit tím, že kód prošel postupnou selekcí. Víme také, že aminokyseliny syntetizované stejnými biochemickými dráhami jsou kódovány podobnými kodony. Je tedy možné, že časný kód byl jednodušší a kódoval méně aminokyselin, a když postupně vznikaly další aminokyseliny, kód expandoval a přiřazoval podobným aminokyselinám podobné kodony.

Svědectví molekul tíhnoucích k vazbě a první kód

Pro hypotézu, že se genetický kód vyvíjel, svědčí experimenty se selekcí in vitro. Když smícháme molekuly syntetických RNA nebo DNA s jinými molekulami a vybíráme z nich látky s nejsilnější vazbou, dostaneme krátké molekuly tíhnoucí k vazbě – aptamery. Ukázalo se, že například aptamery RNA, které se vážou na aminokyselinu arginin, obsahují opakující se trojice argininových kodonů. Z toho vyplývá, že aminokyseliny mohou interagovat přímo se svými kodony. A právě interakce aminokyselin s kodony mohly hrát roli při formování prvního kódu (složitý mechanizmus zahrnující transferovou RNA vznikl zřejmě až později). Dejme tomu, že na počátku, ještě ve světě RNA, byly peptidy tvořeny přímou vazbou aminokyselin na RNA bez potřeby enzymatického urychlení. Pořadí aminokyselin v těchto peptidech bylo náhodné a o jejich dalším osudu rozhodovalo to, jak obstojí v přírodním výběru. Pak byla nekódovaná syntéza peptidů nahrazena kódovanou syntézou. První kód byl jen dvounukleotidový a kódoval menší počet aminokyselin. Pak postupně vzrůstal počet aminokyselin a kód se změnil v tripletový.

Na scénu přichází transferová RNA

Zřejmě už v době dvounukleotidového kódu vstoupily na scénu molekuly transferové RNA (viz rámeček 2 „Prapočátky tRNA“) a enzymy (tvořené zpočátku molekulami RNA). Své role se ujala „listonoška“ – mediátorová RNA. Enzymy začaly připojovat aminokyseliny k molekulám transferové RNA, ty vzájemně interagovaly a usnadnily spojování jimi nesených aminokyselin. Tak vznikly nejstarší proteiny na Zemi (předtím asi jejich funkci plnily ribozymy). Když se transferová RNA zapojila do překládání informace, zanikly přímé interakce aminokyselin s kodony. Molekuly transferové RNA vytvářejí složité sekundární i terciární struktury, např. tvar jetelového listu (obrázek 1). Na jeden konec transferové RNA se váže aminokyselina, na druhý konec molekula mediátorové RNA, která nese gen přepsaný podle DNA. Molekuly transferové RNA, které nesou jednotlivé aminokyseliny, se řadí vedle sebe podle pořadí kodonů v mediátorové RNA a aminokyseliny se spojují za tvorby proteinu. Každému kodonu odpovídá jedna transferová RNA (obsahující specifický antikodon), přičemž některé transferové RNA nesou stejnou aminokyselinu. Konec, na který se vážou aminokyseliny, je vždy zakončen trojicí bází CCA.

Nejstarší aminokyseliny a evoluce kodonů

Které kodonové triplety a které aminokyseliny jsou nejstarší? Touto otázkou se badatelé zabývají již dlouho ²⁾ a jejich názory se dosud v lecčems liší. Podle některých byly nejstarší triplety typu GXC (X = A, C, G nebo T). Při pohledu do tabulky genetického kódu (obrázek 2) zjistíme, že tyto nejstarší kodony kódují aminokyseliny alanin, kyselinu asparagovou, glycin, valin. Znamená to, že právě tyto aminokyseliny byly první? Mohly být první, a nejen proto, že jsou chemicky nejjednodušší. Připomeňme si, že už v roce 1953 se Stanley L. Miller a Harold C. Urey pokusili simulovat podmínky na Zemi v dobách vzniku života a z jednoduchých látek, jako jsou voda, dusík, oxid uhličitý, vodík, amoniak či metan, skutečně získali některé aminokyseliny. ³⁾

V posledních letech zaujaly také objevy Edwarda Trifonova z Univerzity v Haifě, podle jehož představ na počátku existovaly triplety GCX, GXU a XCU. Ty byly odvozeny vždy jedinou mutací od konvenční sekvence GCU. Zajímavé je, že k spontánní expanzi trinukleotidových repeticí DNA, jež stojí v pozadí některých nemocí, dochází často právě v těchto sekvencích. Edward Trifonov se svým týmem také srovnával zastoupení jednotlivých aminokyselin (např. glycinu, považovaného za jednu z nejstarších aminokyselin) v evolučně starých a mladých proteinech. Ukázalo se, že staré proteiny obsahují více časných aminokyselin než proteiny mladší. Podle obsahu glycinu pak Edward Trifonov datoval průběh evoluce proteinů. Z chronologie aminokyselin rekonstruoval i pořadí, v němž se objevovaly jednotlivé kodony. Všiml si, že kodony pro nejstarší aminokyseliny alanin a valin se mohou vzájemně párovat na principu komplementarity, a co víc, takový pár kodonů je termodynamicky nejstabilnější ze všech možných párů. Komplementární jsou také triplety dalších aminokyselin – valinu a kyseliny asparagové.

Tak se lze postupně dopracovat až k nejmladším aminokyselinám. Nové kodony se objevují vždy v komplementárních párech. To znamená, že první proteiny byly kódovány současně oběma vlákny replikující se nukleové kyseliny.

Otázky, jak tyto nejstarší molekuly nukleových kyselin vypadaly, v jakém pořadí se v průběhu evoluce objevovaly aminokyseliny či jaké síly formovaly genetický kód, budou vzrušovat i trápit vědce ještě dlouho.