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初期の複製単位:tRNA様分子と機能的連関
HYC-1979 Lesson 3: Error Threshold and Early Replicative Units
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ある 初期の複製単位 は厳しい物理的制約に直面していた。コピーは決して完璧ではなく、 エラー閾値 は複製子が運べる情報量をその複製の正確さに結びつける。配列が長いほど、毎回の複製で誤コピーの対象となる位置が増え、符号化されたメッセージはより速く侵食される。したがって初期の複製子は、使用可能な忠実度でコピーされるために 十分に小さく なければならず、しかも意味のある機能を担うために 十分に構造化され ていなければならなかった。両方の要件を同時に満たす分子は驚くほど控えめな大きさで、tRNA程度、およそ70〜90ヌクレオチドである。

初期の複製単位:tRNA様分子と機能的連関 小さな分子、安定した折りたたみ、環状の機能的結合 エラー閾値が長さを制限する tRNA様R₁ 複製単位 tRNA様R₂ アミノ酸アダプター tRNA様R₃ ペプチド供与体 tRNA様R₄ 触媒的補助因子 機能的連関 共有結合的な融合ではない ≈ 70〜90ヌクレオチド 各単位はエラー閾値を下回ったままである アミノ酸のチャージ ペプチド転移 hf → FH 触媒的支援 複製 分散した情報は、1つの大きなゲノムへの連結ではなく、機能的結合によって統合される

サイズと忠実度のトレードオフ

意味のある配列を維持する条件をq̄m · として書く:平均複製品質q̄m、選択的優位性 (正しい配列の)、および子孫の数 が合わせて、変異によって生じる情報の損失を上回らなければならない。変異負荷は誤コピーされうる位置の数とともに増大するため、長いゲノムは高い忠実度を要求するが、校正機構を持たない原始的なレプリカーゼはそれを供給できない。約100ヌクレオチドの配列はすでに実用的な上限に近く、数千ヌクレオチドのゲノムはその状況では手が届かない。まさにこの理由から、最初の安定した複製単位の探索は、プロトゲノムではなく 短い RNA分子へと向かうのである。

tRNA様分子がこの窓に適合する理由

tRNA様RNAは小さいが、形を持たないわけではない。それは再現性よくコンパクトなクローバーリーフに折りたたまれ、さらに安定したL字型構造へと凝縮し、その3′末端にアミノ酸をチャージすることができる。折りたたみの再現性が決定的な性質である。同じ配列は常に同じ形をもたらすため、単一の分子が同時に鋳型であり機能的な物体でありうる。小さなサイズはエラー閾値を下回らせ、安定した折りたたみは化学的作用——認識、結合、アミノ酸の取り扱い、触媒的支援——を可能にする。

連結なき統合

総情報量をいくつかの小さな複製子に分割することでサイズの問題は解決するが、新たな問題が生じる。独立した複製子の集合は競争者の集合であり、最短または最速のものが勝つ。このスライドの要点は、統合に分子を一つの大きなゲノムに結合する必要はないということである。統合は 機能的でありうる。すなわち、各分子の産物(RNA、アミノ酸、ペプチド、触媒表面)が別の分子の資源となる。それらの依存関係が閉じて循環をなすとき、その集合は一つの協調的単位として振る舞い、この循環的な相互支援が超循環的組織の最も単純な実現である。分散した情報を保つのは、共有結合的な融合ではなく機能的結合である。

原始的なペプチド化学のためのアダプターとしてのtRNA様分子

同じ分子がペプチド合成への橋渡しを提供する。tRNA様RNAはアダプターまたはメッセンジャーとして働くことができる。すなわち、特定のアミノ酸を運び、高度な装置なしにそのアミノ酸を伸長中のペプチド鎖へ渡すことができる。扱う必要があるのは十分に一般的な限られた数のアミノ酸だけでよく、特異性はRNA自身の配列に存在しうるため、他の理由ですでに存在していた複製子を用いて原始的な翻訳様化学が考えられるようになる。

hf → FH 配置スイッチ

あるtRNAが hf 配置にあるか FH 配置にあるかは、それが何に結合しているか(アミノ酸かペプチド鎖か)に依存する。アミノ酸をペプチド鎖へ転移すると、分子はhfからFHへ反転する。このモデルは、高度な翻訳装置が存在しない状況でメッセージがいかに読み取られうるかをよく説明する。tRNA自身の状態が転移の段階が起きたかどうかを記録し、単純な化学平衡では得られない方向性をこの過程に与えるのである。

結合と融合
注意すべき失敗の様式が二つある。第一に、結合は循環的または協調的でなければならない。依存関係が一方向の連鎖をなすと、最も多くの支援を受ける成員が有利になり、集合体は通常の競争へと退化する。第二に、機能的結合は共有結合的連結とは異なる。情報が統合されるために一つの大きなゲノムへ結合される必要はない。

要点: 小さな分子、安定した折りたたみ、循環的な機能的結合(大きなゲノムではない)が、初期の情報をエラー閾値の下で生き残らせるのである。