Glycyl-tRNA合成酵素αサブユニットの構造進化と解読システムの初期組織化への関与

Structural evolution of Glycyl-tRNA synthetases alpha subunit and its implication in the initial organization of the decoding system.

• Savio Torres de Farias
• Daniel Antonino
• Thais Gaudêncio Rêgo
• Marco V José

抄録

遺伝暗号の起源と進化は、現代生物学の根本的な課題である。この問題の中心にあるのは、アミノ酸とtRNAの正しい相互作用です。アミノアシルtRNA合成酵素は、アミノ酸とtRNAを正しく結合させる酵素です。20種類の常用アミノ酸の中で、グリシンはプレバイオティクス状態で最も多く存在しており、遺伝子コードにいち早く組み込まれたアミノ酸の一つであったはずです。本研究では、グリシルtRNA合成酵素(GlyRS)の祖先配列を導出し、その立体構造を予測した。また、分子ドッキング実験により、先祖代々のGlyRSがtRNAアンチコドンステムループ、補因子、基質と結合する能力を示した。これらの結合は高い親和性と特異性を示した。これらの相互作用の原始的な機能は、両化合物を安定化させて触媒作用を可能にすることであったと提案している。このような背景から、アンチコドンのステムループはエンコーディングシステムに貢献しており、mRNAの出現と同時にそれがコード化のために共役していた。このように、我々は、オペレーショナルコードとアンチコドンコードが独立して進化しなかった遺伝暗号の起源のモデルを提示している。

The origin and evolution of the genetic code is a fundamental challenge in modern biology. At the center of this problem is the correct interaction between amino acids and tRNAs. Aminoacyl-tRNA synthetase is the enzyme responsible for the correct binding between amino acids and tRNAs. Among the 20 canonical amino acid, glycine was the most abundant in prebiotic condition and it must have been one of the first to be incorporated into the genetic code. In this work, we derive the ancestral sequence of Glycyl-tRNA synthetase (GlyRS) and predict its 3D-structure. We show, via molecular docking experiments, the capacity of ancestral GlyRS to bind the tRNA anticodon stem loop, cofactors and substrates. These bindings exhibit high affinity and specificity. We propose that the primordial function of these interactions was to stabilize both compounds to make possible the catalysis. In this context, the anticodon stem loop did contribute to the encoding system and just with the emergence of the mRNA it was co-opted for codification. Thus, we present a model for the origin of the genetic code in which the operational and the anticodon codes did not evolve independently.

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