Új elmélet a genetikai kód komplexitásának magyarázatára

Egy új elmélet magyarázatot kínál arra a régóta megoldatlan problémára, hogy az élőlények genetikai kódja miért alkot jóval összetettebb jelrendszert, mint amilyenre feltétlenül szükség van a sejtek fehérjéinek kódolásához.

1968-ben Marshall Nirenberg, Har Gobind Khorana és Robert Holley feltárták azt a folyamatot, hogy a sejtek milyen módon termelnek fehérjéket a sejtmagban található DNS-molekulák genetikai kódjának információja alapján. A fehérjék képződésének módja az élővilágban univerzális folyamat, ugyanúgy játszódik le a növényekben, az emberben és a baktériumokban is. A kódolás a DNS-t felépítő ún. nukleotidok szerves bázisainak sorrendjén (szekvenciáján) keresztül valósul meg. A DNS nukleotidjainak szerves bázisai négyfélék lehetnek (adenin, citozin, timin, guanin - A, C, T, G). A DNS azon szakaszait, amelyek egy adott fehérjemolekula elkészítéséhez szükséges információt tartalmazzák, géneknek nevezzük.

A DNS információja alapján az átírás (transzkripció) folyamata során egy hozzá nagyon hasonló molekula, a hírvivő RNS (mRNS) képződik. Az adott génről átírt mRNS egy konkrét fehérje képződéséért felelős. A sejtmagból kijutva az mRNS molekula eljut a riboszóma nevű sejtszervecskékhez, ahol az általa szállított információ alapján a sejt molekuláris gépezete fehérjét gyárt (transzláció). A fehérjeszintézis folyamata során az mRNS bázishármasaihoz (ún. kodonok) a riboszómákon kapcsolódnak hozzá a szállító RNS (tRNS) molekulák bázishármasai (antikodonok). A tRNS molekulák a fehérjelánc alkotórészeit, az aminosavakat szállítják a riboszómákhoz. Amikor a kodon és a hozzá tartozó antikodon összekapcsolódik, a tRNS "lerakja" aminosav-szállítmányát, a riboszóma pedig egy olyan reakciót katalizál, amelynek révén az aminosav az épülő fehérjelánchoz kapcsolódik.

Az élő szervezetek fehérjemolekulái 20 féle aminosavból épülnek fel, így legalább 20 féle jel szükséges a kódolásukhoz. Egyetlen szerves bázis tehát önmagában nem lehet jel, mert ekkor csak 4 féle aminosav kódolására lenne lehetőség (4¹). Ha két bázis kódolna egy aminosavat, akkor is csak 16 féle variáció lenne (4²), ami még mindig kevés. Bizonyított tény, hogy az aminosavakat bázishármasok (tripletek) kódolják. Ez 64 féle variációt jelent (4³), ami viszont már több mint háromszorosa az aminosavak számának. A kutatók számára mindeddig nem volt világos, hogy a húsz aminosav kódolására miért alakult ki sokkal több triplet, amikor elvileg ennél kevesebb is elegendő volna a fehérjék szintéziséhez. A kérdés pontosabban az, hogy miért használja a természet az összes variációt.

A hárombetűs kód kialakulása

"Amióta feltárták a fehérjék szintézisének részleteit, a kutatókat folyamatosan foglalkoztatta ez a kérdés. Eddig azonban egy olyan elmélet sem született, amely minden tekintetben elfogadható magyarázatot adott volna a jelenségre" - mondta Jean van den Elsen (University of Bath), az új elmélet egyik megalkotója.

A genetikai kódrendszer egyik érdekessége, hogy egyes aminosavakat több triplet-variáció is kódolhat. A leucin nevű aminosav például hat különböző bázishármasból is átíródhat, viszont más, ugyancsak fontos aminosavak számára csak egyféle triplet áll rendelkezésre. A mostani elmélet egy korábbi ötletre épít, amelyet még Francis Crick, a DNS szerkezetének egyik megfejtője javasolt a probléma megoldására. Crick szerint a három betűből álló kód eredetileg egy kétbetűs kódból alakult ki, ő azonban úgy gondolta, hogy a hárombetűs kód elterjedése egy egyszerű véletlen műve, amely később nem szelektálódott ki az evolúció során. A University of Bath kutatói szerint viszont az eredeti, kétbetűs kód "olvasása" korábban is "hárombetűnként" történt, azonban ebből csak az első kettő, vagy az utolsó kettő betű volt igazán meghatározó a kód átírása során.

A kutatók a kétbetűs kódok különféle elrendezéseinek összesítésével olyan táblázatba foglalták az aminosavakat, amely megmagyarázza, hogy miért kódolhat egyes aminosavakat kettő, négy, vagy akár hat triplet is. A táblázatból az is kiderül, hogy miként rendelődtek hozzá a vizet kedvelő (hidrofil) és a vizet taszító (hidrofób) tulajdonságú aminosavak az egyes tripletekhez, a kétbetűs kódok első kettő, illetve utolsó két betűjének átfedéseivel. "Ha a kétbetűs kódok rendszerét a mi elméletünk szerint alakítjuk hárombetűssé, akkor a tripleteknek és a hozzájuk tartozó aminosavaknak pontosan azt a rendszerét kapjuk, amely az élőlények sejtjeiben ma is működik" - mondta van den Elsen. "Ez a viszonylag egyszerű elmélet a genetikai kód kialakulásának sok, mindeddig megválaszolatlan kérdésére magyarázatot ad."

Kevesebb hibalehetőség

Az elméletből az is levezethető, hogy a genetikai kód jelrendszerének mai szerkezete hogyan segíti, hogy a transzláció során bekövetkező lehetséges tévedések, például a tripletek elcsúszása ne okozzon problémát az élőlények számára. Így például, ha a kódolás során véletlenül odébb csúszik egy bázishármas, akkor az a legvalószínűbb, hogy egy másik, de az eredetihez hasonló tulajdonságokkal rendelkező aminosav fog termelődni, ami még nem feltétlenül jár súlyosabb következményekkel a szervezet számára. Ezt a nagyfokú hibatűrést éppen ez a szerkezet biztosítja, viszont a régebbi elméletek közül egy sem tudta megmagyarázni, hogy miként is alakulhatott ki.

A kutatók elméletének további újdonsága, hogy rávilágít két olyan aminosav (glutamin és aszparagin) eredetére is, amelyek viszonylag "újak" lehetnek a fehérjeszintézis evolúciójának történetében, mivel a kétbetűs rendszerből akár ki is lehet hagyni őket. Ez a két aminosav magasabb hőmérsékleten nem képes megőrizni eredeti szerkezetét, ami arra enged következtetni, hogy a magas hőmérséklet akadályozhatta őket abban, hogy már korábban beépüljenek a genetikai kódrendszerbe. Ennek egyik lehetséges oka, hogy az a szervezet, amely minden jelenlegi földi életforma őse volt, egy forró, kénben gazdag folyékony közegben, esetleg egy hőforrás környezetében élhetett. Később, ahogy fokozatosan lehűlt a környezete, már képes volt rá, hogy felvegye a glutamint és az aszparagint is, ami így beépülhetett a későbbi, komplexebb élő szervezetek genetikai kódrendszerébe is.

Ha tehát ez az érvelés helyes, akkor további bizonyítékot jelentene amellett, hogy a földi élet egy forró, és nem egy hidegebb környezetben alakult ki. "A szervezetünkben elrejtve még mindig találhatóak olyan maradványok, amelyek egy nagyon ősi, a mostaninál sokkal egyszerűbb genetikai kódrendszerből maradtak meg. Ilyenek például egyes aminoacil t-RNS-szintetáz enzimek - ezek kapcsolják az aminosavakat a megfelelő tRNS-ekhez - amelyek a triplet kodonokban csak bázispárokat keresnek" - mondta van den Elsen. A kód evolúciója során lehetőség adódhatott rá, hogy új aminosavak is beépülhessenek. A genetikai kód mai formája talán egy olyan "kompromisszum" eredménye lehet, amely 20-féle aminosavat a legkevesebb hibával képes kódolni.

Illyés András