d_kishkinev (d_kishkinev) wrote,
d_kishkinev
d_kishkinev

Categories:

David Hillis и загадочный LUCA

На этой неделе Гуэлф посетил и сделал доклад на нашем факультете гуру в области молекулярной эволюции и филогенетики - David Hillis, профессор из Университета Техаса в Остине (сайт его лаборатории).



Знаменитый вариант филогенетического древа всех живых организмов в виде колеса - Tree of Life - это как раз его выдумка. Дэвид - очень интересный рассказчик. Оказывается, это схема висит прямо на входе в здание университета, и входящие в здание первокурсники почти всегда спрашивают, не карта ли это кампуса и, если так, почему так все запутано и как ее использовать (You are here на это как бы намекает :)

File:Tree of life SVG.svg


Я, например, не знал, что первый вариант кладограммы был сделан Дарвином в записной книжке в 1837 г. Вот он. Наверху надпись

"I think".

Жаль, что остальное не могу разобрать.

По-моему, это момент гения. Вот представьте, еще до вала разных доказательств, у человека, сидящего где-нибудь в уединении, приходят мысли, которые на сотни лет определяют развитие науки и овладеваются умами миллиардов людей через много десятков лет.


Еще Дэвид рассказал занимательную историю о том, как он был вовлечен в криминально-детективное расследование, где знания в области молекулярной эволюции помоги раскрыть преступление и стали основой новых доказательств в forensic practice. Пересказываю по памяти, и могу детали переврать. Один врач, имевший доступ к донорской крови, ревновал жену, которая ему изменяла, и однажды привел ее к себе на работу и насильно сделал инъекцию. Их отношения в итоге кончились разводом и женщина вышла замуж во второй раз и родила ребенка, который оказался ВИЧ инфицированным. ВИЧ-позитивной оказалась и она, хотя она не имела связей с ВИЧ-положительными. Заподозрив мужа и припомнив ту инъекцию, она подала на бывшего мужа в суд. Расследование привело суд к тому, что бывший муж имел доступ к крови ВИЧ-инфецированного гомосексуалиста как раз в момент инъекции. Но как доказать, что именно муж сделал инъекцию и именно кровь от данного человека была использована как орудие предумышленного убийства? В этот момент суд и следователи вспомнили про Дэвида и позвонили ему. Он предложил филогенетический анализ генома вируса у конкретного человека, того самого ВИЧ-положительного гомосексуалиста, и женщины, а так же как контроль были взяты вирусы СПИД из разных других источников. Кладистический анализ показал, что вирусы женщины и данного человека находятся практически на одной веточке. Анализ также проводился в двух разных лабораториях, чтобы исключить вероятность контаминации, что использовалось защитой доктора. Итог был то же самый. У женщины и у источника СПИДа было железное алиби о том, что они не встречались и не имели сексуального контакта. В итоге врач получил срок и был вынужден оплачивать лечение. Метод набирает популярность в судебной практике в США.

Еще из забавного, Дэвид очень увлечен идеей создания эдакого универсального таксономического устройства, которое бы умело в поле анализировать биологический образец и давать точную таксономическую информацию по данному организму. Нечто подобное было в StarTrek - устройство Tricorder, университельный детектор разных организмов.

Видовое разнообразие, уже известное таксономистам, настолько огромное и постоянно растет, что для того, чтобы стать специалистом по узкой группе животных, каких-нибудь насекомых, нужно потратить всю свою жизнь. Образцы лежат в музеях десятилетиями и столетиями, ожидая, пока до них доберуться специалисты, и часто не дожидаются. Это не позволяет быстро и точно провести полевые исследования без привлечения считанного числа узкий специалистов (которые, конечно же, всё еще нужны для дальнейшего изучения биоразнообразия, но их на всё просто не хватает). Современные технологии DNA barcoding уже позволяют точно проводить такие исследования без долгого ожидания узких специалистов-таксономистов. Например, в Гуэлфе как раз функционирует всемирно известный Канадский Центр ДНК-баркодинга. Достаточно гомогенезировать образец почвы или воды, и генотипировать имеющиеся в образце ДНК, используя биочипы. на подложке которых достаточно большое число ключевых последовательностей и можно не только точно определить, сколько видов в данном образце, но и получить количественную характеристику по видам. Можно взять небольшую пробу из местного ресторана и определить. используют ли они какие-то запрещенные продукты (к примеру, так было найдено. что в некоторых японских ресторанах в Торонто используют краснокнижных акул).

Теперь о LUCA - last universal ancestor, т.е. первопредок всех живых существ. Предполагаемый первый организм, давший начало всем ныне живущим и вымершим организмам. Эта концепция лично мне не дает покоя, и вот почему. Дело в том, что по мере развития палеонтологии и молекулярной филогенетики, всё чаще видим доказательства конвергентной эволюции, когда одни и теже признаки появляются независимо. Например, тоже самое птичье крыло. с перьями, не только перепонка, как у птеродактилей или рукокрылых млекопитающих, появлялось у разных групп неоднократно. Например, была такая большая группа Энанциорнисовые (Enantiornithines). которые полностью вымерли, но были очень похожи на современных птиц.



Но, важно то, что по мелким анатомическим деталям можно понять, что всё же современные птицы и энанциорнисовые имели разных предков - плечевая кость, к примеру, у последних совершенно по другому была построена. Т.е. здесь ключевая мысль - та же самая биологическая функция может быть достигнута ограниченными, но всё же разнообразными методами, и если вглядывать. то это видно.

Теперь о LUCA. Каким образом все современные организмы имеют одинаковый генетический код? И одинаковый ли он? Мог он быть только таким или же были и есть варианты? К Дэвиду я подошел после доклада и мы побеседовали. Он, предсказуемо для меня, выразился в смысле, что "наверное есть некие молекулярно-химические принципы, ограничивающие разнообразие возможностей генетического кода до единственного варианта, наблюдаемого нами". Но меня этот типичный ответ не очень удовлетворяет. Почему только один вариант, почему так жестко? Про ограничения я понимаю. но вариантов всё равно несколько должно было быть? И если они были, то где они? Возникла ли жизнь неоднократно и не наблюдаем ли мы ветви организмов от разных LUCA? И оказывается, я могу быть ближе к истине, чем Дэвид, т.к. с конца 1970-х гг. уже был задокументировано, что в митохондриях, считающихся потомками симбионтных бактерий, некоторые кодоны кодируют необычные аминокислоты. С тех пор, примеров накопилось больше и я уверен, что многие отклонения еще не описаны. Т.е. всё же управлять транскрипцией и строить белки можно ползуясь разными вариантами кодонов! Оказывается, так же, что белки в некоторых организмах строятся не из 20, а из 22 аминокислот, включая редкие аминокислоты селеноцистеин и пирролизин. Хотя какие-то энергетические, структурные и химические ограничения на разнообразие кодонов наложили отпечаток, канализировали и ограничили вариацию. Например, кодоны всегда трехэлементные и первые два определяющие, а последний нуклеотид может варьировать. Но это может быть просто следствие некоего информационного закона, а не наследственный признак от общего предка. Мое мнение, что, не исключено, что это не просто отклонения в аминокислотном составе или коде, а указания на то, что разные группы бактерий происходят от предковой жизни, первых клеток. возникших независимо друг от друга. Это, кстати, может предсказывать то, что, если жизнь возникала еще и на других планетах Солнечной системы, к примеру, на Марсе и/или на спутниках Юпитера с водой (Ио), то там генетический код может быть иной.

Еще на эту тему дает пищу на размышлений Вики:

If amino acids were randomly assigned to triplet codons, then there would be 1.5 x 1084 possible genetic codes to choose from[44]:163. However, the genetic code used by all known forms of life is nearly universal with few minor variations. One could ask: Has all life on Earth descended from a single bacterium that mutated to make the final optimization in the universal genetic code? Many hypotheses on the evolutionary origins of the universal genetic code have been proposed.

Four themes run through the many hypotheses about the evolution of the genetic code:[45]


  • Chemical principles govern specific RNA interaction with amino acids. Experiments with aptamers showed that some amino acids have a selective chemical affinity for the base triplets that code for them.[46] Recent experiments show that of the 8 amino acids tested, 6 show some RNA triplet-amino acid association.[44]:170[47]


  • Biosynthetic expansion. The standard modern genetic code grew from a simpler earlier code through a process of "biosynthetic expansion". Here the idea is that primordial life "discovered" new amino acids (for example, as by-products of metabolism) and later incorporated some of these into the machinery of genetic coding. Although much circumstantial evidence has been found to suggest that fewer different amino acids were used in the past than today,[48] precise and detailed hypotheses about which amino acids entered the code in what order have proved far more controversial.[49][50]

  • Natural selection has led to codon assignments of the genetic code that minimize the effects of mutations.[51] A recent hypothesis[52] suggests that the triplet code was derived from codes that used longer than triplet codons (such as quadruplet codons). Longer than triplet decoding would have higher degree of codon redundancy and would be more error resistant than the triplet decoding. This feature could allow accurate decoding in the absence of highly complex translational machinery such as the ribosome and before cells began making ribosomes.

  • Information channels: Information-theoretic approaches model the process of translating the genetic code into corresponding amino acids as an error-prone information channel.[53] The inherent noise (that is, the error) in the channel poses the organism with a fundamental question: how can a genetic code be constructed to withstand the impact of noise[54] while accurately and efficiently translating information? These “rate-distortion” models[55] suggest that the genetic code originated as a result of the interplay of the three conflicting evolutionary forces: the needs for diverse amino-acids,[56] for error-tolerance[51] and for minimal cost of resources. The code emerges at a coding transition when the mapping of codons to amino-acids becomes nonrandom. The emergence of the code is governed by the topology defined by the probable errors and is related to the map coloring problem.[57]

Transfer RNA molecules appear to have evolved before modern aminoacyl-tRNA synthetases, so the latter cannot be part of the explanation of its patterns.[58]

Models encompassing aspects of two or more of the above themes have also been explored. For example, models based on signaling games combine elements of game theory, natural selection and information channels. Such models have been used to suggest that the first polypeptides were likely short and had some use other than enzymatic function. Game theoretic models have also suggested that the organization of RNA strings into cells may have been necessary to prevent "deceptive" use of the genetic code, i.e. preventing the ancient equivalent of viruses from overwhelming the RNA world.[59]

The distribution of codon assignments in the genetic code is nonrandom.[60] For example, the genetic code clusters certain amino acid assignments. Amino acids that share the same biosynthetic pathway tend to have the same first base in their codons.[61] Amino acids with similar physical properties tend to have similar codons,[62][63] reducing the problems caused by point mutations and mistranslations.[60] A robust hypothesis for the origin of genetic code should also address or predict the following gross features of the codon table:[64]


  1. absence of codons for D-amino acids

  2. secondary codon patterns for some amino acids

  3. confinement of synonymous positions to third position

  4. limitation to 20 amino acids instead of a number closer to 64

  5. relation of stop codon patterns to amino acid coding patterns

Tags: evolution, history, people, science
Subscribe

  • Brass Against - взрывная смесь brass & hip-hop музыки

    Недавно обнаружил творчество этих ребят. Американский коллектив. В основном делают каверы на разный рок, но с наложением женского вокала и brass…

  • Korn and London Grammar

    Сижу делаю очередные лекции второкурсникам Keele University по биостатистике (для Neuroscience programme веду часть модуля Neuroscience Research…

  • Новая вещь от "Накипаю"

    с куском из интервью Цоя. Гитарная партия моего брата. Вещь войдет в их второй альбом, который ожидается этой осенью.

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments