چگونه ژن ها برای نخستین بار به تشکیل حیات انجامیدند

همه‌ی موجودات زنده از کدهای ژنتیکی برای ترجمه‌ی اطلاعات ژنتیکی مبتنی بر DNA به پروتئین استفاده می‌کنند؛ پروتئین‌ها از مولکول‌های اصلی فعالیت‌کننده در سلول‌ها هستند. اما اینکه چگونه فرایند پیچیده‌ی ترجمه در نخستین مراحل زندگی روی زمین در بیش از ۴ میلیارد سال پیش اتفاق افتاد، مدت‌ها به‌صورت یک راز مانده‌ بود؛ ولی اخیرا دو نظریه‌پرداز زیستی شواهدی برای گشایش این راز پیدا کرده‌اند. چارلز کارتر استاد بیوشیمی و بیوفیزیک در دانشکده پزشکی کارولینای شمالی و پیتر ویلز استاد بیوشیمی در دانشگاه اوکلند، از مدل‌های آماری پیشرفته برای تجزیه‌‌‌‌و‌تحلیل اینکه چگونه مولکول‌های ترجمه‌ای امروزی برای انجام وظیفه‌شان در سلول، گرد هم می‌آیند تا اطلاعات ژنتیکی را به واحدهای سازنده‌ی پروتئین ترجمه کنند، استفاده کردند. نتایج تجزیه‌وتحلیل این دانشمندان که در ژورنال Nucleic Acids Research منتشر شده‌است، آشکار کننده‌ی قوانین پنهانی است که به وسیله‌ی آن امروزه مولکول‌های ترجمه‌ای با هم تعامل پیدا می‌کنند. این پژوهش نشان می‌دهد که چگونه اجداد بسیار ساده‌تر این مولکول‌ها در آغاز حیات با هم شروع به کار کردند. کارتر گفت:

من تصور می‌کنم که ما قوانین اصولی و تاریخچه‌ی تکاملی کد‌گذاری ژنتیکی را آشکار کردیم. این موضوع برای ۶۰ سال ناشناخته مانده بود.

ویلز افزود:

جفت الگوهای مولکولی که ما شناسایی کرده‌ایم، ممکن است نخستین الگوهایی باشد که طبیعت برای انتقال اطلاعات از یک ارگانیسم زنده به ارگانیسم دیگر استفاده کرده‌ است.

این کشف به مولکول برگ‌ شبدر مانندی که RNA ناقل (tRNA) نامیده می‌شود و دارای نقش کلیدی در فرایند ترجمه است، مربوط می‌شود. یک tRNA برای حمل یک اسید آمینه که واحد سازنده‌ی پروتئین است، به کارخانه‌ی سلولی تولید پروتئین یعنی ریبوزوم، طراحی شده‌است. هنگامی که یک کپی یا یک رونوشت از یک ژن که RNA پیامرسان (mRNA) نامیده می‌شود، از هسته‌ی سلول ظاهر شده و وارد ریبوزوم می‌شود، این mRNA به tRNAهای حامل اسید آمینه متصل می‌شود.

mRNA اساسا یک رشته از حروف ژنتیکی است که حاوی دستورالعمل‌های ساخت پروتئین‌ها بوده و هر tRNA یک دنباله‌ی سه حرفی روی توالی mRNA را شناسایی می‌کند. به این توالی، کدون گفته می‌شود. وقتی ملکول tRNA به کدون متصل می‌شود، ریبوزوم اسید آمینه‌ی آن را به اسید آمینه‌ای که قبل از آن آمده‌است، متصل می‌کند و طول رشته‌ی پپتیدی زیاد می‌شود. زمانی که این فرایند تکمیل شد، زنجیره‌ی اسید آمینه به عنوان یک پروتئین تازه ساخته شده، آزاد می‌شود.

فرایند ساخت رشته‌ی پروتئینی در ریبوزوم

پروتئین‌های موجود در بدن انسان و اکثر موجودات دیگر از ۲۰ اسید آمینه‌ی مختلف تشکیل شده‌اند. بنابراین ۲۰ نوع مجزا از مولکول‌های tRNA وجود دارد که هر کدام قادر به اتصال با یک نوع اسید آمینه‌ی خاص هستند. در مشارکت با این ۲۰ مولکول، tRNA ۲۰ آنزیم کمک‌کننده‌ی پیوند با نام سنتتاز (آمینو اسیل tRNA سنتتاز) وجود دارند که وظیفه‌ی آن‌ها بارگذاری tRNAی مربوطه با اسید آمینه‌ی صحیح است. کارتر گفت:

شما می‌توانید درمورد مجموعه‌ی این ۲۰ آنزیم سنتتاز و ۲۰ ملکول tRNA به‌عنوان یک کامپیوتر مولکولی بنگرید که تکامل آن را برای انجام ترجمه‌ی ژن به پروتئین طراحی کرده‌ است.

مدت‌ها است که زیست‌شناسان درمورد این کامپیوتر زیستی و منشا ایجاد آن در میلیاردها سال پیش، کنجکاوند. در سال‌های اخیر، کارتر و ویلز تمرکز مطالعات خود را روی حل این معما قرار داده بودند. برای مثال آن‌ها نشان داده‌اند که این ۲۰ آنزیم سنتتاز که در دو گروه مجزای ده آنزیمی قرار می‌گیرند، چگونه از دو آنزیم ساده‌تر اجدادی منشا گرفته‌اند. یک تقسیم‌بندی گروهی مشابه برای اسیدهای آمینه هم وجود دارد و کارتر و ویلز استدلال کرده‌اند که چنین تقسیم‌بندی گروهی درمورد tRNA هم احتمالا وجود دارد. به‌‌عبارت دیگر آن‌ها پیشنهاد می‌کنند که در آغاز حیات، موجودات زنده تنها دارای دو نوع از tRNAها بودند که در تعامل با دو نوع آنزیم سنتتاز، عمل ترجمه‌ی ژن به پروتئین را با استفاده از تنها دو نوع مختلف اسید آمینه، انجام می‌دادند. با گذشت زمان این سیستم اختصاصی‌تر شد و هر کدام از tRNAها، سنتتازها و اسید آمینه‌ها تکمیل و دچار تغییر شدند تا زمانی که به جای هر کدام از این tRNAها، سنتتازها و اسید آمینه‌های اولیه، ۱۰ نوع متمایز ایجاد شد.

ساختار ملکول tRNA

در جدید ترین پژوهش، کارتر و ویلز مولکول‌های tRNA امروزی را برای یافتن شواهدی از این اجداد دوگانه مورد بررسی قرار دادند. برای انجام این کار آن‌ها بخش بالایی ملکول tRNA را که با عنوان ساقه‌ی پذیرنده شناخته می‌شود و محلی برای اتصال سنتتاز همکار است، مورد تجزیه‌وتحلیل قرار دادند. نتایج آن‌ها نشان داد که سه باز RNA یا همان حروف ژنتیکی، در بالای ساقه‌ی پذیرنده، حامل یک کد مخفی دیگر است که تعیین‌کننده‌ی قوانینی است و tRNAها را به دو گروه طبقه‌بندی می‌کند؛ چیزی که دقیقا با دو گروه از سنتتازها نیز مطابقت دارد. کارتر گفت:

ترکیبات این سه باز هستند که تعیین می‌کنند کدام گروه از سنتتازها به هر tRAN متصل شوند.

نتایج این مطالعه شواهد جدیدی در ارتباط با tRNA ارائه داد. هر tRNA امروزی در انتهای قسمت پایین خود دارای یک آنتی‌کدون است که از آن برای شناسایی و چسبیدن به یک کدون مکمل روی یک ملکول mRNA استفاده می‌کند. موقعیت آنتی‌کدون از موقعیت اتصال سنتتاز نسبتا دور است؛ اما دانشمندان از اوایل دهه‌ی ۱۹۹۰ بر این گمان بودند که زمانی tRNAها بسیار کوچک‌تر بوده‌اند و مناطق آنتی‌کدون و محل اتصال سنتتاز یک جا بوده‌ است. تجزیه‌وتحلیل ویلز و کارتر نشان می‌دهد که قوانین مرتبط با یکی از سه باز تعیین کننده‌ی گروه؛ باز شماره‌ی ۲ در ملکول tRNA کلی، عملا نشان‌دهنده‌ی ردی از آنتی‌کدون نسخه‌ی اجدادی کوتاه‌شده از ملکول tRNA امروزی است. کارتر گفت:

این یک تایید کاملا غیرمنتظره از فرضیه‌‌ای است که در حدود ۳۰ سال پیش عنوان شد.

یافته‌ها، این استدلال را که سیستم ترجمه‌ای نخستین حیات فقط دارای دو tRNA اولیه منطبق با دو نوع سنتتاز و دو نوع اسید آمینه بوده‌ است، قوت می‌بخشد. با تکامل سیستم در جهت شناسایی و تلفیق اسید آمینه‌های جدید، ترکیبات جدیدی از بازهای tRNA در منطقه‌ی اتصال سنتتاز ایجاد شد تا بتواند با این پیچیدگی‌های در حال رشد، سازگار شود؛ اما به شیوه‌ای که ردپایی قابل تشخیص از توالی‌های اولیه به جای ماند. کارتر گفت:

این سه باز تعریف‌کننده‌ی گروه، در tRNAهای امروزی، شبیه یک نسخه‌ی خطی قرون وسطایی هستند که متون اصلی آن‌ها از بین رفته‌ و با متون جدیدتر جایگزین شده‌ است.

یافته‌های فوق امکان ریشه‌یابی دقیق‌تر منشا کد ژنتیکی را فراهم می‌کنند. علاوه بر این ممکن است ساخت مجدد نسخه‌های سیستم اولیه ترجمه در آزمایشگاه و حتی تکامل آن به اشکال مدرن‌تر امکان‌پذیر شود. این نتایج همچنین نشان‌دهنده‌ی این هستند که چگونه زندگی از حالت ساده‌ترین مولکول‌ها به سلول‌ها و ارگانیسم‌های پیچیده تکامل پیدا کرد.