Představa, že genetický kód se v průběhu času vyvíjel, je podporována řadou důkazů. Při bližším pohledu na kód zjistíme, že je vytvořen tak, aby byl minimalizován dopad případných chyb, tedy mutací, v DNA. To znamená, že v mnoha případech záměna nukleotidu v kodonu nevede k záměně aminokyseliny v odpovídajícím proteinu.
Takové optimální nastavení kódu lze vysvětlit tím, že kód prošel postupnou selekcí. Jedná se o kód velmi robustní, odolný nejen vůči záměnám nukleotidů, ale i vůči chybám, k nimž může dojít během proteosyntézy (translace). Mimoto bylo zjištěno, že aminokyseliny syntetizované stejnými biochemickými dráhami jsou kódovány podobnými kodony, což by nasvědčovalo menšímu počtu kodonů a jim odpovídajících aminokyselin na počátcích a následné expanzi kódu (počtu kodonů i aminokyselin) v dobách pozdějších.
Pomocí experimentů, kdy vědci prováděli selekci molekul ve zkumavce, se podařilo zjistit, že některé aminokyseliny se mohou přímo vázat na molekuly RNA. První interakce malého počtu dávných aminokyselin
s nejstaršími RNA genomy představovaly první kroky tvorby genetického kódu. Jak byl první kód rozsáhlý a jak vypadal, kolik aminokyselin a kolik kodonů jej vytvářelo, stejně jako průběh evoluce kódu, to vše zůstane asi navždy záhadou. Asi se již nedozvíme, zda se molekuly tRNA, fungující dnes jako prostředník mezi proteiny a RNA, do kódu včlenily až později, anebo naopak tRNA vznikly velmi brzo a jejich vazba na aminokyseliny představovala jakýsi evolučně starší (tzv. operační) kód, který předcházel tripletovému genetickému kódu, jenž se zrodil zřejmě až expanzí tRNA. Podle tohoto druhého scénáře pak byly molekuly odpovídající dnešním mRNA do mašinérie tvorby proteinů začleněny až později. Jen dodejme,
že oba scénáře se nemusejí nutně vzájemně vylučovat.
Ať to bylo tak či onak, vše naznačuje, že kód prošel evolučními změnami. Pokusme se tedy na základě uvedených poznatků zrekonstruovat vznik a vývoj genetického kódu. Pořadí aminokyselin v prvních proteinech bylo náhodné a o úspěšnosti výsledných proteinů rozhodovalo to, jak obstojí v přírodním výběru. Fáze této nekódované tvorby proteinů byla později nahrazena kódovanou syntézou. První kód byl zřejmě tvořen pouze kodony GNC, kde „N“ představuje libovolnou ze čtyř bází (tedy kodony GUC, GCC, GAC a GGC). Tento takzvaný „GNC“ kód mohl kódovat jen čtyři aminokyseliny odpovídající uvedeným čtyřem kodonům – valin, alanin, kyselinu asparagovou a glycin. Ostatní kodony byly „nesmyslné“, tedy neodpovídala jim žádná aminokyselina. Postupně, jak v tehdejších podmínkách vznikaly další aminokyseliny, kód expandoval a přiřazoval podobným aminokyselinám podobné kodony. Spolu s expanzí kódu získávaly proteiny nové funkce, což bylo selekčně výhodné.
Pokud byl na počátku počet aminokyselin nižší než nyní, nabízí se logicky otázka: Které aminokyseliny jsou nejstarší? Analýzy molekul transferových RNA naznačují, že nejpůvodnější triplety byly tvořeny dokonce pouze dvěma bázemi – guaninem a cytosinem – a kódovaly aminokyseliny glycin a alanin. Až později došlo k mutační expanzi a včlenění dalších dvou bází (adeninu a uracilu) – počet kodonů se zvětšil a současně došlo k rozšíření spektra kódovaných aminokyselin. Při pohledu do tabulky současného genetického kódu zjistíme, že tyto nejstarší kodony kódují aminokyseliny alanin, kyselinu asparagovou, glycin, prolin, serin, treonin a valin. Znamená to tedy, že zde máme kandidáty na první aminokyseliny? Snad ano, neboť uvedené aminokyseliny jsou chemicky nejjednodušší a také nejochotněji vznikaly v abiotické syntéze simulující podmínky na dávné Zemi ve známém experimentu Ureyho a Millera, o němž jsme mluvili v jedné z prvních kapitol. A co více, právě tito kandidáti na nejstarší aminokyseliny byli nalezeni i v dutinkách kamenných meteoritů – chondritů, rovněž zmíněných dříve. Může však mimozemské rozšíření některých aminokyselin svědčit pro jejich starobylost? To zatím nevíme.
Předpoklad, že některé aminokyseliny jsou starší než jiné, přivedl vědce k nápadu srovnat jejich zastoupení v evolučně starých a mladých proteinech. Ukázalo se, že starší proteiny obsahují více časných aminokyselin než proteiny mladší. Jednou z nejstarších aminokyselin je zřejmě glycin. Tzv. „glycinové hodiny“, založené na měření obsahu glycinu v proteinech, umožňují podle profesora Edwarda Trifonova, působícího na univerzitě v izraelské Haifě, dokonce datovat evoluční události.
Tento text je úryvkem z knihy
Eduard Kejnovský: Tajemství genů
Academia 2015
O knize na stránkách vydavatele
