Esta es una pregunta muy interesante por dos razones: 1) las aminoacil-ARNt sintetasas (aaRS) tienen una historia filogenética bastante única , y 2) las implicaciones de su evolución se refieren a la transición de un mundo de ARN.
Como estoy seguro que sabes, los aaRSs tienen la tarea de cargar sus ARNt afines con el aminoácido apropiado, que luego puede utilizarse para la traducción de proteínas.
Las primeras pistas sobre su inusual historia evolutiva provienen de la observación de que la archaeon Methanococcus jannaschii tiene solo 16 de los 20 AaRS esperados [1], con los cuatro aminoácidos “ausentes” (Lys, Gln, Asn y Cys) cargados usando una vía diferente en uno de los aaRS existentes. Por ejemplo, tRNAGln primero se malcila con Glu, y luego se ‘corrige’ a Gln mediante la enzima Glu-tRNAGln amidotransferasa.
Para tratar de entender esto, se crearon filogenias extensas de los diferentes aaRS, basadas en alineamientos estructurales [2].
En la evolución molecular, hay dos procesos principales que determinan la evolución: la transferencia de genes vertical y horizontal.
- La transferencia vertical de genes es la transmisión de genes de padres a hijos , donde la divergencia molecular surge de la mutación y la duplicación de genes.
- La transferencia horizontal de genes es la transmisión de información genética de un organismo a otro . Se entiende menos que la transferencia vertical de genes, pero está cada vez más implicada en la evolución molecular.
A diferencia del resto de la maquinaria de traducción, que está muy dominada por la transferencia vertical de genes, los aaRS han estado sujetos a una serie de antiguas transferencias génicas horizontales , en todos los niveles taxonómicos. Lo que es más notable es que muchos de estos eventos son extremadamente antiguos, ocurren en o antes de LUCA (el último ancestro común universal). El resultado de esto es que las filogenias evolutivas de los aaRSs son diferentes a las filogenias organismales (ver las ramas de IleRS a continuación).
Leyenda de la figura original [3]:
Árbol filogenético de representantes de seryl-, threonyl-, y prolyl-tRNA synthases. El árbol muestra los eventos de divergencia que dieron lugar a las formas comunes y raras de seril- y prolil-ARNt sintasas. Los cuadrados verdes representan eventos de divergencia antiguos y los cuadrados anaranjados representan nodos que tienen descendientes en los tres dominios de la vida, y que, por lo tanto, pueden identificarse como nodos LUCA.
Lo que es interesante es la relación de la evolución de aaRS con el desarrollo del código genético. Al reconstruir las secuencias pre-LUCA, se ha sugerido que el código genético no co-evolucionó con los aaRSs , pero algunos de los aminoácidos (por ejemplo, Ile y Val) ya eran parte del código genético antes de que sus aaRS afines se separaran de sus comunes antepasado [3]. Esto significa que existieron mecanismos alternativos de aminoacililación antes de la evolución de aaRS (que aún no comprendemos).
La evolución del aaRS es un tema interesante ya que se trata de la transición de un mundo (posible) de ARN al actual sistema dominante en proteínas (ver la respuesta del Usuario de Quora a ¿Hay alguna alternativa seria a la hipótesis del mundo del ARN?). Los hallazgos anteriores sugieren la presencia de un mundo de ARN-péptido después del mundo del ARN, que luego gradualmente cambió hasta convertirse en dominado por las proteínas.
Todavía hay mucho trabajo por hacer en la evolución de las diferentes familias de AaRS, pero hacerlo debería beneficiar enormemente nuestra comprensión de cómo evolucionó la vida temprana.
Referencias
[1] Completa la secuencia del genoma de la archaeon metanogénica, Methanococcus jannaschii.
[2] 10.1128 / MMBR.67.4.550-573.2003
[3] Evolución molecular de las proteínas Aminoacil tRNA sintetasa en la historia temprana de la vida
