Over de evolutie van de genetische code

Tot nu toe gingen mijn blogs vaak over de abiogenesis, ofwel het ontstaan van de eerste macromoleculen (DNA, RNA en eiwitten) uit de beschikbare moleculen in de ‘primordiale soep’. Daarbij springt vooral het werk van Ernesto Di Mauro (1, 2) in het oog, die liet zien dat zich in water zonder katalyserende enzymen spontaan lange ketens van nucleotiden (ofwel basen) kunnen vormen. In zijn experimenten ging het om heel eenvoudige ketens van maar één van de vier basen.

De genetische code: A, G, C en U zijn de vier basen van het RNA die de drieletterig code vormen voor de aminozuren (aangegeven met kleine letters)

Nucleotiden ofwel basen zijn de letters van het DNA en het RNA. DNA kent iedereen als de moleculen waarin onze genen opgeslagen liggen. De genen worden gelezen en zo wordt er in de celkern mRNA van gemaakt dat een bijna exacte kopie is van het DNA. Het DNA en het RNA bestaan uit vier verschillende letters (A, G, C en T of U). Bij de productie van eiwitten, wordt het mRNA afgelezen waarbij de letters in groepjes van drie worden herkend door het transferRNA ofwel het tRNA. Die groepjes van drie zijn de codons. Deze zijn complementair aan een tRNA dat een specifiek aminozuur draagt. Aangezien we vier ‘letters’ hebben die zich in groepjes van drie kunnen combineren, bestaan er 4^3 = 64 verschillende codons. De eiwitten, die uit ketens van aminozuren bestaan, zijn uit slechts 20 verschillende aminozuren opgebouwd. In de tabel zijn de codons met hun corresponderende aminozuren te zien; dit is de genetische code. Het blijkt dat de code voor elk aminozuur voornamelijk bepaald wordt door de eerste twee letters. De derde is vaak irrelevant. Deze derde positie wordt ook wel de Wobble positie genoemd en de code zelf is zogezegd gedegenereerd. Het gangbare idee is dat de oorspronkelijke primordiale code slechts uit twee nucleotiden bestond en dat daar vervolgens een code van drie basen uit ontstaan is.

Fig. 1 Translatie: Het tRNA hecht zich met het anti-codon aan het codon van het mRNA (groen). Het gedragen aminozuur wordt vastgehecht aan de groeiende peptide.

Een belangrijke rol heeft het tRNA. Dit tRNA heeft een arm waarvan het uiteinde van de lus complementair is aan het codon van het mRNA. Het tRNA, dat een specifiek aminozuur draagt, hecht zich met zijn anti-codon aan het mRNA zodra ‘zijn’ codon aan de beurt is om vertaald te worden (zie fig. 1). Het aminozuur hecht zich aan de keten aminozuren en is daarmee deel van het groeiende eiwit. De code is gedegenereerd wat betekent dat er verschillende tRNA’s zijn die hetzelfde aminozuur dragen.

De allerbelangrijkste speler is wel de synthase van het tRNA. Dit enzym is verantwoordelijk voor de juiste koppeling van een tRNA aan het bijbehorende aminozuur (zie fig.2) . Het is de ware tweetalige protagonist die de brug legt tussen de vier lettercode van het DNA/RNA en de twintig lettercode van de eiwitten. Hier is een filmpje te zien van hoe dat in zijn werk gaat. Een kant van het enzym leest het anti-codon en de andere kant hecht het juiste aminozuur aan het andere uiteinde van het tRNA. Elk aminozuur heeft zijn eigen tRNA-synthase.

Fig. 2. tRNA synthase (geel), tRNA (rood)

Er bestaan twee groepen tRNA-synthase. Elke groep bestaat uit 10 enzymen. De twee groepen verschillen van elkaar voor wat betreft hun actieve site, hun sequentie, en de plek waar het aminozuur vastgemaakt wordt. Op dezelfde manier kunnen de aminozuren in twee groepen verdeeld worden. Dit heeft geleid tot het idee dat de twee groepen apart van elkaar geëvolueerd zijn of zelfs na elkaar. Het zou kunnen dat er ooit twee codes naast elkaar bestonden en dat deze twee zich samengevoegd hebben. Het zou ook kunnen dat er in eerste instantie heel eenvoudige eiwitten bestaan hebben van slechts 10 aminozuren (groep II) in plaats van 20. Studies van sterk geconserveerde sequenties, die dus erg oud zijn, tonen aan dat deze voornamelijk uit groep II-aminozuren zijn opgebouwd. Deze primordiale verdubbeling van de genetische code laat zien dat de code niet eenvoudigweg een ‘bevroren toeval’ is zoals Crick beweerde, maar wel degelijk een optimale code is.

Uit: Apoorva Patel (2004); Woese et al. (2000); José et al. (2009)