Структура генома LUCA

[Комбинатор]

Я тут провёл небольшое исследование по тему топика, результаты конспективно изложены в приаттаченном файле. Хотелось бы услышать комментарии к написанному, особенно, от молекулярщиков, а так же узнать ваше мнение, имеет ли смысл пытаться это где-то опубликовать (если есть желающие доработать статью, естественно, они прглашаются в соавторы).

[Комбинатор]

Решил всё-таки ещё раз изложить гипотезу, может быть, в приаттаченном файле она изложена слишком невнятно:
************************************************************
Геном абсолютного большинства бактерий представляет собой кольцо. Вдоль этого кольца расположены гены. Они могут распологаться либо на одной цепочке ДНК, либо на другой. Но так как рибосома всегда движется в одном и том же направлении (от 5' конца к 3' концу), а цепочки в двойной спирали ДНК имеют разное направление, принято говорить, что каждый ген может читаться либо, условного говоря, "справа-налево", либо "слева-направо". Направление чтения конкретного гена (или целого пула генов - оперона) "прописано" в неком "заголовке" гена, который называют промотером.
В большинстве таксонов бактерий наблюдается высокая степень симметрии распределения направления чтения генов в кольцевой хромосоме. В каждом "полукольце" примерно 50% генов читаются слева-направо, и 50% в обратном направлении. Но есть таксоны, в которых эта симметрия нарушена. Самым "экстремальным" в этом отношении является таксон клостридий, в котором до 90% генов в каждом из полуколец имеют одно и то же направление. Вероятность, что такое могло призойти случайно, равна практически нулю. При этом, ни одной публикации, которая бы пыталась объяснить столь аномальное распределение у клостридий, я лично не встречал.
Моя гипотеза состоит в том, что изначально геном LUCA был идеально симметричен (все гены в "правой" половине кольцевой хромосомы читались по часовой стрелке, а все гены в "левой" половине хромосомы - против часовой стрелеки). Потом ассиметрия стала постепенно выравниваться примерно так же, как будет выравниваться ассиметрия белых и чёрных шариков в барабане при его вращении, даже если изначально в его левой половине были только белые шарики, в в правой - только чёрные. Это равносильно росту энтропии. Чем больше эволюционных событий пережил таксон, чем сильнее менялся его геном, тем больше в итоге будет степень хаотичности в направлении распределения направления чтения его генов. Соответственно, измеряя эту ассиметричность, мы можем грубо оценивать возраст таксона.
Что касается причин высокой симметричности изначального распределения, то в соответствии с моей гипотезой это является тривиальным следствием перехода от РНК генома к ДНК геному. Одноцепочечные РНК имеют свойство образовывать самокомплиментарные вторичные структуры, в которых их единственная цепочка связывается сама с собой, образуя "стебли". Изначально система синтеза белков была более простой, чем сегодня - рибосома всегда двигалась по единственной цепочке в одном и том же направлении, доходя до окончания "стебля". Дальше двигаться было бессмыслено, так там располагались участки, комплиментарные к участкам первой половины хромосомы. После перехода от одноцепочечной РНК хромосомы к двухцепочечной кольцевой ДНК хромосоме одной половинке кольца ДНК стала соответствовать первая часть РНК-хромосомы, а другой половинке - её вторая половина. Таким образом, после дополнения изначальной РНК-хромосомы комплиментарной цепочкой, у первого ДНК организма появилась кольцевая хромосома, имевшая по две копии каждого гена - одну в правой половине, и другую - в левой её половине (последняя должна была читаться по другой нити ДНК, то есть, реверсивно!). Потом эти половинки начали частично независимую эволюцию путём дублирования генов, их последующей мутации и т.д., но изначальная анизотропия (некая аналогия анизотропии реликтового микроволоного излучения после Большого Взрыва в астрофизике) в наиболее древних таксонах сохранилась до наших дней.
Вот такая вот гипотеза.
******************************************
Так же оставил на эту тему комментарий к статье Кавалье-Смита в журнале BiologyDirect. Вот ссылка: http://www.biology-direct.com/content/5/1/7/comments#445678
(экскюз ми, май инглиш вери бэд ).

[Vuto]

Но так как рибосома всегда движется в одном и том же направлении (от 5' конца к 3' концу), а цепочки в двойной спирали ДНК имеют разное направление, принято говорить, что каждый ген может читаться либо, условного говоря, "справа-налево", либо "слева-направо". Направление чтения конкретного гена (или целого пула генов - оперона) "прописано" в неком "заголовке" гена, который называют промотером.

Уточните, пожалуйста, "справа-налево" - это 5' -> 3' ?
Просто ДНК-молекула - это двойная спираль, каждая часть которой транскрибируются 5' -> 3'  (ревресное чтение - по сути усложнённое правильное чтение).

Далее - более. Если в "правильной" ДНК гены записаны в позитивной записи (и пусть в 5' -> 3' направлении), то в её дуальной спирали - негативный отпечаток и ревресное направление(3' -> 5') требуется для правильной трансляции.

Мне, например,  не совсем ясно как читаются белки, если они записаны в негативной записи (и, на сколько я в курсе, таблица выбора аминокислот от триплета не является симметричной по позитивно-негативному преобразованию).

Самым "экстремальным" в этом отношении является таксон клостридий, в котором до 90% генов в каждом из полуколец имеют одно и то же направление.
Моя гипотеза состоит в том, что изначально геном LUCA был идеально симметричен

А на сколько их гены близки к ЛУКе?

[Комбинатор]

Уточните, пожалуйста, "справа-налево" - это 5' -> 3' ?

Да, конечно, впрочем, как и "слева-направо".

Просто ДНК-молекула - это двойная спираль, каждая часть которой транскрибируются 5' -> 3'  (ревресное чтение - по сути усложнённое правильное чтение).

Да, конечно. Чтение в противоположном направлении по сути означат то, что читается другая цепь ДНК.

Далее - более. Если в "правильной" ДНК гены записаны в позитивной записи (и пусть в 5' -> 3' направлении), то в её дуальной спирали - негативный отпечаток и ревресное направление(3' -> 5') требуется для правильной трансляции.

Да, если мы будем считывать информацию с "альтернатиной ветви", то она будет в негативе и "задом-наперёд" по отношению к "основной ветви" ДНК .

Мне, например,  не совсем ясно как читаются белки, если они записаны в негативной записи (и, на сколько я в курсе, таблица выбора аминокислот от триплета не является симметричной по позитивно-негативному преобразованию).

Нет понятия "негативная запись". Белки всегда читаются в направлении 5' -> 3'. Условно "негативной" можно считать запись на той цепочке ДНК, по которой рибосома движется против часовой стрелки, но это, естественно, чисто условно. Соответствие триплет - аминокмслота, естественно, одинаково вне заисимости от того, с какой цепочки считывается информация.

А на сколько их гены близки к ЛУКе?

Степень ассиметрии достигает 90%, то есть, очень условно можно считать, что примерно таков же процент генов, доставшимсся им от ЛУКи.

[Vuto]

Уточните, пожалуйста, "справа-налево" - это 5' -> 3' ?

Да, конечно, впрочем, как и "слева-направо".

Тогда что такое "слева-направо" и "справа-налево"?

Далее - более. Если в "правильной" ДНК гены записаны в позитивной записи (и пусть в 5' -> 3' направлении), то в её дуальной спирали - негативный отпечаток и ревресное направление(3' -> 5') требуется для правильной трансляции.

Да, если мы будем считывать информацию с "альтернатиной ветви", то она будет в негативе и "задом-наперёд" по отношению к "основной ветви" ДНК .

Пусть у нас на РНК с основной ДНК спирали получилось следующее: UUC-AUA -GGG. Если прочитать, то выйдет белок Фенилаланин-Изолейцин-Глицин
Однако, РНК, транскрибированная из комплементарной спирали будет уже (А<->U, C<->G) AAG-UAU-CCC или Лизин-Тирозин-Пролин.
Где тут я ошибся?

А на сколько их гены близки к ЛУКе?

Степень ассиметрии достигает 90%, то есть, очень условно можно считать, что примерно таков же процент генов, доставшимсся им от ЛУКи.

Не обязательно. Собственно, если так и окажется, тогда вы правы.

[Комбинатор]

Тогда что такое "слева-направо" и "справа-налево"?

Это два возможных направления движения рибосомы относительно наблюдателя.

Пусть у нас на РНК с основной ДНК спирали получилось следующее: UUC-AUA -GGG. Если прочитать, то выйдет белок Фенилаланин-Изолейцин-Глицин
Однако, РНК, транскрибированная из комплементарной спирали будет уже (А<->U, C<->G) AAG-UAU-CCC или Лизин-Тирозин-Пролин.
Где тут я ошибся?

Нигде, всё правильно, так и будет. Я же говорю, осмысленная информация на определённом участке всегда содерижтся лишь на одной из цепочек ДНК.

Не обязательно. Собственно, если так и окажется, тогда вы правы.

Ну, если у Вас есть список генов ЛУКА, то можно сравнить))
В любом случае, мне кажется, столь низкоэнтропийное состояние ДНК клостридий требует какого-то объяснения. Пытаться просто игнорировать этот факт глупо.

[Vuto]

Это(слева-направо" и "справа-налево") два возможных направления движения рибосомы относительно наблюдателя.

эээ.. линейные объекты в 3х мерном пространстве не обладают левизной и правизной. На сколько я помню.
Я пока не понял, что это за право-левые считывания.
Все РНК у нас читаются 5'->3'
В ДНК половина участков не рабочие (комплиментарные части). Думаю, у ЛУКи уже был промоутер, который указывал, что не надо воссоздавать.
Было ли всё на одной цепи? Не думаю. Скорее всего так и было 50%/50%.
Почему у вашей бактерии в основном все памоутеры на одной ДНК собрались? Не знаю. Но вряд ли ЛУКа был таким незапасливым, что гены в разные корзины бы не поклал. А если и поклал в одну корзину, значит, промоутер - это уже послеЛУКовское наследие.

Не обязательно. Собственно, если так и окажется, тогда вы правы.

Ну, если у Вас есть список генов ЛУКА, то можно сравнить))

)) Я имел в виду сравнить по филогенетическому дереву - может, это очень молодая бактерия?

[Комбинатор]

эээ.. линейные объекты в 3х мерном пространстве не обладают левизной и правизной. На сколько я помню.
Я пока не понял, что это за право-левые считывания.

У бактерий хромосама не линейная, а кольцевая. Что бы было понятнее, можете право-лево заменить на "по часовой стрелке" и "против часовой стрелки".

Все РНК у нас читаются 5'->3'
В ДНК половина участков не рабочие (комплиментарные части). Думаю, у ЛУКи уже был промоутер, который указывал, что не надо воссоздавать.

Не очень понял, что имеется в виду? Промотер просто указывает, какая из двух нитей ДНК на данном участке содержит информацию, кодирующую протеин.

Было ли всё на одной цепи? Не думаю. Скорее всего так и было 50%/50%.
Почему у вашей бактерии в основном все памоутеры на одной ДНК собрались? Не знаю. Но вряд ли ЛУКа был таким незапасливым, что гены в разные корзины бы не поклал. А если и поклал в одну корзину, значит, промоутер - это уже послеЛУКовское наследие.

У Лука, скорее всего, был РНК геном => была всего лишь одна РНК нить (типа очень длинной иРНК современных организмов), по которой, собственно, и двигалась рибосома. Двигаться она могла лишь в одном направлении => необходимости указывать в промотере направление её движения попросту не было.

)) Я имел в виду сравнить по филогенетическому дереву - может, это очень молодая бактерия?

Ха, в том то и дело, что среди учёных по поводу филогенического дерева на ранних этапах эволюции полный раздрай. Многие считают самыми древними гипертермофилов (Aquifex и многие археи). Кавалье-Смит - Сhloroflexi. Lake & K помещают основание ствола дерева между актинобактериями и клостридиями. У меня же есть целый ряд фактов, что Лука ближе всего был к клостридиям.

[Vuto]

У бактерий хромосама не линейная, а кольцевая. Что бы было понятнее, можете право-лево заменить на "по часовой стрелке" и "против часовой стрелки".

Нельзя. Переверните кольцо, направления поменяются местами.

Промотер просто указывает, какая из двух нитей ДНК на данном участке содержит информацию, кодирующую протеин.

Дело в том, что если у ЛУКи нет промоутера, то значит, он создаёт мусорные белки, ничего не означающие. Причём они составляют ПОЛОВИНУ от производства всех белков, ЛУКой изготовляемый.
Не похоже на реальность. К тому времени, ЛУКа уже был "крепким малым".

У Лука, скорее всего, был РНК геном

ЛУКа не мог быть РНК-жизнью. Кроме вирусов(которые не обязательно являются потомками ЛУКи) не существует архей и бактерий без ДНК.
Значит, ЛУКа уже был с ДНК.

Кавалье-Смит - Сhloroflexi. Lake & K помещают основание ствола дерева между актинобактериями и клостридиями. У меня же есть целый ряд фактов, что Лука ближе всего был к клостридиям.

Если так, значит, как минимум клостридии не так уж молоды и могут претендовать на близость к ЛУКе.

[Комбинатор]

Нельзя. Переверните кольцо, направления поменяются местами.

Можно не переворачивать кольцо, а просто зайти с другой стороны. Но направления то всё равно будет 2, как их не называйте!

Дело в том, что если у ЛУКи нет промоутера, то значит, он создаёт мусорные белки, ничего не означающие. Причём они составляют ПОЛОВИНУ от производства всех белков, ЛУКой изготовляемый.
Не похоже на реальность. К тому времени, ЛУКа уже был "крепким малым".

У Луки были промотеры (иначе он бы вообще никак не мог регулировать экспрессию собственных генов), просто они, по видимому, были так устроены, что "садиться" на них рибосома могла лишь в одном направлении - "от мембраны до петли".

ЛУКа не мог быть РНК-жизнью. Кроме вирусов(которые не обязательно являются потомками ЛУКи) не существует архей и бактерий без ДНК.
Значит, ЛУКа уже был с ДНК.

Вопрос не так прост, например, у архей и эубактерний белки, расщепляющие спираль ДНК при копировании, не гомологичны. Кроме того, не гомологичны белки, трансформируюие урацил в тимин. Но даже если "поздний" ЛУКА и имел уже ДНК геном, он, по видимому, образовался совсем незадолго до того, как Лука прошёл через "бутылочное горлышко".

Если так, значит, как минимум клостридии не так уж молоды и могут претендовать на близость к ЛУКе.

Как говорится, что и требовалось доказать. Дело за малым - убедить этом остальных.

[Vuto]

Можно не переворачивать кольцо, а просто зайти с другой стороны. Но направления то всё равно будет 2, как их не называйте!

От поворачивания закрученность не меняется. Перед нами типичная проблема - почему правый ботинок не может быть левым.
Для ботинка необходимо ещё одно измерение, что бы быть удобным для любой ноги.
(например, 2мерный ботинок - трапеция не бывает левой и правой, её легко повернуть через 3е пространство)
Кольцо двумерно, и в трёхмерном пространстве она не имеет "по часовой" или "против часовой" вращение.
А если мы не можем определить направление движения, есть ли разница??
Или мы можем определить движение?

Вопрос не так прост, например, у архей и эубактерний белки, расщепляющие спираль ДНК при копировании, не гомологичны. Кроме того, не гомологичны белки, трансформируюие урацил в тимин. Но даже если "поздний" ЛУКА и имел уже ДНК геном, он, по видимому, образовался совсем незадолго до того, как Лука прошёл через "бутылочное горлышко".

Я не думаю, что у ЛУКи было вообще "бутылочное горлышко". Думаю дело в тотальном доминировании и вытеснении иных организмов с поле боя.
Второй вопрос - сколько было ЛУКовцев? Один, два, три? Если несколько видов, то на сколько они родственны.
Ну и третий вопрос - что имел ЛУКа. ДНК он имел.

Как говорится, что и требовалось доказать. Дело за малым - убедить этом остальных.

Убеждать не надо. Надо искать доказательства.

[Комбинатор]

От поворачивания закрученность не меняется. Перед нами типичная проблема - почему правый ботинок не может быть левым.
Для ботинка необходимо ещё одно измерение, что бы быть удобным для любой ноги.
(например, 2мерный ботинок - трапеция не бывает левой и правой, её легко повернуть через 3е пространство)
Кольцо двумерно, и в трёхмерном пространстве она не имеет "по часовой" или "против часовой" вращение.
А если мы не можем определить направление движения, есть ли разница??
Или мы можем определить движение?

Очевидно, можем, раз при секвенировании различают "+" и "-" направления. Возможно, есть некая ассимметрия в месте крепления хромосомы к мембране, связанная, например, с хириальностью белков.

Я не думаю, что у ЛУКи было вообще "бутылочное горлышко". Думаю дело в тотальном доминировании и вытеснении иных организмов с поле боя.

Это не принципиально. Бутылочное горлышко де факто означает, что в какой-то момент все конкурирующие таксоны вымерли.

Второй вопрос - сколько было ЛУКовцев? Один, два, три? Если несколько видов, то на сколько они родственны.
Ну и третий вопрос - что имел ЛУКа. ДНК он имел.

Понятие вид для бактерий вообще очень расплывачто. На сегодняшний день есть две основные гипотезы:
1. Все бактреии произошли от одного таксона (ЛУКА)
2. Во времена РНК мира обмен генами был настолько широко распространйнным, что некорректно говорить об одном организме, а можно говорить лишь о неком тесно переплетённом симбиотическом семействе организмов, имевших общий пул генов.

Убеждать не надо. Надо искать доказательства.

Кроме уже упомянутой ассимметрии в распределении генов у меня есть ещё как минимум 2 доказательства. Если интересно, могу изложить.

[Vuto]

Очевидно, можем, раз при секвенировании различают "+" и "-" направления.

Ну вот, узнаете, поделитесь!

2. Во времена РНК мира обмен генами был настолько широко распространйнным, что некорректно говорить об одном организме, а можно говорить лишь о неком тесно переплетённом симбиотическом семействе организмов, имевших общий пул генов.

почему только РНК-мира? В ДНК мире - тоже. Выявить происхождение эукариотов без горизонтального переноса генов невозможно.

Кроме уже упомянутой ассимметрии в распределении генов у меня есть ещё как минимум 2 доказательства. Если интересно, могу изложить.

Излагайте.

[Комбинатор]

Ну вот, узнаете, поделитесь!

Хорошо. Кстати, может кто-то из сдешних молекулярщиков (например, Питер или DNAoidea), может прояснить этот вопрос?

Почему только РНК-мира? В ДНК мире - тоже. Выявить происхождение эукариотов без горизонтального переноса генов невозможно.

Вроде бы, считается, что роль горизонтального переноса в процессе эволюции (РНК-мир => прокариоты => эукариоты) постепенно уменьшалась, хотя, конечно, даже у млеков есть гены, приобретённые в результате HGT. Вашу фразу про эукариотов не совсем понял. Вроде бы, сейчас доминирующей считается теория их симбиотического происхождения. Хотя, конечно, если имеется в виду горизонтальный перенос между ДНК симбиота и хозяина внутри клетки, тогда да.

Излагайте.

Хорошо, сегодня попозже изложу.

[Комбинатор]

Так вот, ещё 2 доказательства.
1. Есть такой подход, называется анализ вставок и делиций в протеинах. Он вначале развивался, в основном, Гуптой, но сейчас его всё шире начали использовать и другие. например, Лейк. В основе данного метода лежит идея, что однажды возникшая в результате мутации и вполседствии переданная "по наследству" вставка определённого блока аминокислот в протеине может быть использована в качестве маркера, позволяющего восстановить иерархию филогенического дерева бактерий. Так вот, анализ Гупты показывает, что корни дерева жизни находятся в таксоне Firmicutes, включающем, в основном, Клостридий и Бациилл. Анализ Лейка и К. помещает корень между Клостридиями и Актинобактериями, но в нём есть одна логическа ошибка, на которую указали некоторые критики этой работы. Если данную ошибку устранить, то основание дерева получается среди Клостридий.
2. Есть гипотеза, что в период жизни ЛУКА гораздо шире использовался прицип самосборки белковых комплексов наподобии того, как сейчас собирается рибосома. Для его реализации все протеины, участвующие в сборке, должны экспрессироваться один за другим а их гены, соответственно, быть расположенными в одном кластере (опероне). Так вот, оперонный принцип расположения генов наиболее ярко выражен как раз среди Firmicutes.