Проблема нуклеации гиперциклов

Цикл автокаталитический репликатор может начаться с одной копии матрицы: как только одна молекула присутствует, она может направлять собственный синтез и амплифицироваться. гиперцикл устроен иначе. Это замкнутый цикл взаимозависимых репликаторов: каждый член амплифицируется или поддерживается через каталитическую активность другого члена, и замкнутость существенна. Это создаёт проблему нуклеации.

Поскольку гиперцикл требует присутствия и функциональной связи каждого члена цикла, один мутантный ген — даже каталитически активный — не может основать гиперцикл. Цикл остаётся открытым. Изолированная репликация или катализ не создают сеть взаимной зависимости, которая определяет гиперцикл.

Стохастические и комбинаторные барьеры

Нуклеация также требует достаточных начальных количеств всех членов цикла. Иначе стохастическая потеря, разбавление и разложение удаляют компоненты прежде, чем замкнутый цикл сможет расти быстрее, чем распадаются его части. Переход от одиночного репликатора к гиперциклу поэтому пороговый или кооперативный: частичные циклы и неполные наборы могут не проявлять гиперциклического роста.

Комбинаторика мутантов делает старт ещё труднее. Для последовательности длиной число k-ошибочных мутантов равно . Это даёт 100 одноошибочных мутантов, 4 950 двухошибочных мутантов, 161 700 трёхошибочных мутантов и так далее. Если гиперцикл должен собрать n совместимых членов, число возможных наборов приблизительно равно для . Пространство поиска координированного замкнутого набора поэтому огромно, гораздо больше, чем поиск одного благоприятного мутанта.

По этим причинам гиперцикл более правдоподобно зарождается постепенно из богатого GC квазивида через мутации и отбор, чем собирается de novo из одной матрицы или одного мутантного гена.

Ключевое различие

Автокатализ амплифицирует одну матрицу; гиперциклическая организация требует замкнутой сети взаимозависимых матриц. Один мутант может быть каталитически активным и всё же не суметь зародить гиперцикл.

Диаграмма контраста нуклеации

Ветвящаяся диаграмма противопоставляет автокаталитический репликатор с одной матрицей, который может запустить рост с одной копии, замкнутому гиперциклу, требующему всех членов и замкнутости, и комбинаторному облаку k-ошибочных мутантов, которое делает нуклеацию de novo маловероятной.

ВОПРОС 1

XVI.3. Почему гиперциклическая организация отдельных мутантных генов, а не один устойчиво растущий геном? 100 одноошибочных мутантов, 4950 двухошибочных мутантов, 161 700 трёхошибочных мутантов и т. д., или

k-ошибочные мутанты

(для

Гиперцикл требует замкнутого, взаимозависимого набора вариантов; комбинаторный поиск такого координированного набора неизмеримо больше, чем нахождение одного мутанта, поэтому предпочтительна постепенная организация из квазивида.

Гиперциклы возникают из одного устойчиво растущего генома, потому что одиночные мутанты всегда более стабильны.

Один каталитически активный мутант может зародить гиперцикл, потому что его собственная репликация замыкает цикл.

Облако мутантов гарантирует, что каждый возможный замкнутый цикл появляется случайно, поэтому один геном не имеет значения.

ВОПРОС 2

Какая структурная особенность абсолютно необходима для гиперцикла, но не для одиночного автокаталитического репликатора?

Линейная последовательность генов без обратной связи.

Замкнутый цикл репликаторов, каждый из которых амплифицируется или поддерживается другим членом.

Одна матрица, которая катализирует собственный синтез.

Случайный набор несвязанных мутантов.

ВОПРОС 3

Почему автокаталитический репликатор может зародиться из одной молекулы, а гиперцикл — нет?

Потому что автокаталитические репликаторы не распадаются, поэтому им никогда не нужен порог.

Потому что гиперциклы — это линейные цепи, которые могут начинаться с любого конца.

Потому что автокатализу нужна лишь одна копия матрицы, тогда как гиперциклу нужны все члены цикла, присутствующие и функционально связанные.

Потому что у гиперциклов скорости реакций ниже, чем у автокаталитических репликаторов.

ВОПРОС 4

Для последовательности длиной 100 число двухошибочных мутантов равно 4 950. Что это комбинаторное значение означает для нуклеации гиперцикла?

Это означает, что мутации несущественны, поскольку 4950 слишком мало, чтобы иметь значение.

Это означает, что один благоприятный мутант может легко замкнуть гиперцикл.

Это означает, что полный двухкомпонентный гиперцикл автоматически присутствует среди 4950 вариантов.

Это подразумевает большой пул вариантов, но не замкнутое множество; несколько совместимых вариантов должны быть согласованы, а число возможных множеств растёт примерно как

ВОПРОС 5

В стохастических терминах какое условие должно выполняться, чтобы гиперцикл зародился, а не потерял свои компоненты из-за разбавления и распада?

Скорость распада каждого члена должна превышать скорость гиперциклического роста.

Скорость мутаций должна быть нулевой, чтобы ни один вариант не терялся.

Каждый член должен присутствовать в достаточном начальном количестве, чтобы рост замкнутого цикла опережал распад компонентов до наступления стохастической потери.

Только один член должен присутствовать в высокой концентрации; остальные могут появиться позже.

Тематическое исследование: зарождение двухкомпонентного гиперцикла в пребиотическом пуле РНК

Прочитайте сценарий и ответьте на вопросы.

Лабораторная симуляция поддерживает богатый ГЦ квазивид РНК длиной 100. Мутации порождают множество вариантов. Каталитически активный мутант A способен реплицироваться автокаталитически, но при добавлении A в одиночку в пул самоподдерживающийся гиперцикл не образуется. Может быть порождён второй мутант B, и A и B могут взаимно катализировать репликацию друг друга. Однако оба теряются из-за разбавления, если их начальные числа копий не превышают порог.

1. Объясните, почему одиночный мутант A не может зародить гиперцикл, хотя он каталитически активен. Используйте понятия замыкания и взаимной зависимости.

Ответ:
Гиперцикл требует замкнутого цикла взаимозависимых репликаторов. A в одиночку может самоусиливаться, но не образует цикла с другим членом. Цикл остаётся открытым, поскольку B отсутствует и взаимная каталитическая связь не устанавливается. Изолированная репликация — это не то же самое, что замкнутая кооперативная сеть.

2. Используя комбинаторику мутантов для последовательности длиной 100, вычислите число мутантов с двумя ошибками и объясните, как это число влияет на вероятность найти совместимую пару, способную замкнуть двухкомпонентный гиперцикл.

Ответ:
Число мутантов с двумя ошибками равно

. Если двухкомпонентный гиперцикл должен собрать

совместимых вариантов из этого пула, число возможных множеств составляет примерно

миллионов парных комбинаций. Таким образом, хотя найти один мутант с двумя ошибками не крайне редко, найти согласованную пару, образующую замкнутый гиперцикл, гораздо менее вероятно. Это поддерживает постепенное зарождение из квазивида, а не сборку de novo.