Strong correlation between amino acid frequency and codon degeneracy in genetic codes across all domains of life
Questo studio rivela una forte correlazione tra la frequenza degli amminoacidi e la degenerazione dei codoni in tutti i domini della vita e nei virus, suggerendo che il codice genetico si sia evoluto inizialmente per adattarsi alle richieste degli amminoacidi prima che successive pressioni evolutive causassero deviazioni da questo schema.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
Ogni essere vivente sulla Terra, dal più minuscolo batterio alla balena più grande, si affida allo stesso manuale di istruzioni fondamentale per costruire le proprie proteine. Questo manuale è il codice genetico, un sistema universale che traduce sequenze di parole chimiche di tre lettere, note come codoni, nei venti diversi mattoni chiamati amminoacidi che compongono le proteine. Sebbene l'alfabeto di questo codice sia fisso, le regole su quante parole corrispondano a ciascun mattone sono sorprendentemente disomogenee. Alcuni amminoacidi sono assegnati a una singola parola di tre lettere, mentre altri hanno fino a sei parole diverse che significano esattamente la stessa cosa. Per decenni, gli scienziati si sono chiesti se questa distribuzione disomogenea fosse un incidente casuale della storia o se fosse stata accuratamente plasmata dalle necessità stesse della vita. Nello specifico, si sono chiesti se il numero di parole assegnate a un amminoacido corrisponda alla frequenza con cui quell'amminoacido viene effettivamente utilizzato nelle proteine del corpo. Se la natura aveva bisogno di una certa quantità di un determinato mattone, ha naturalmente assegnato più parole per rendere la produzione più facile? O è stato il numero di parole a dettare quanta di quella unità finisse nel prodotto finale?
Un team di ricercatori dell'Università Friedrich Schiller di Jena si è posto l'obiettivo di risolvere questa questione esaminando i dati reali attraverso l'intero albero della vita. Hanno raccolto informazioni genetiche da oltre 20.000 organismi differenti, coprendo tutti e tre i principali domini della vita cellulare — archaea, batteri ed eucarioti — oltre ai virus. Invece di cercare di indovinare o modellare ciò che potrebbe accadere, hanno semplicemente contato gli amminoacidi nelle proteine di questi organismi e hanno confrontato questi numeri del mondo reale con i numeri teorici predetti dal codice genetico. Per garantire l'accuratezza dei loro risultati, hanno tenuto conto del fatto che diversi organismi hanno composizioni chimiche differenti nel loro DNA, un fattore che può falsare i risultati. Hanno trattato ogni proteina allo stesso modo, indipendentemente da quanto fosse attiva nella cellula, per ottenere un'immagine pura dell'utilizzo complessivo dei mattoni.
Lo studio ha rivelato un modello sorprendente: esiste un legame forte e costante tra il numero di parole che un amminoacido possiede e la frequenza con cui appare nelle proteine. In generale, gli amminoacidi con più codoni sinonimi si trovano in quantità maggiori, mentre quelli con meno parole si trovano in quantità inferiori. Questa correlazione è rimasta valida in tutti i domini della vita, suggerendo che il codice genetico sia stato effettivamente plasmato per adattarsi alle richieste delle prime forme di vita. I ricercatori hanno scoperto che gli amminoacidi più semplici, che probabilmente erano disponibili per primi nel mondo prebiotico, sono stati assegnati il maggior numero di parole e sono i più abbondanti nelle proteine oggi. Al contrario, gli amminoacidi complessi che sono apparsi più tardi nell'evoluzione hanno ricevuto meno parole e rimangono meno comuni.
Tuttavia, la storia non è perfettamente semplice. Sebbene la tendenza generale sia forte, i ricercatori hanno identificato specifici amminoacidi che infrangono costantemente le regole. Quattro amminoacidi — glutammato, aspartato, lisina e metionina — sono utilizzati molto più spesso di quanto il loro numero di codoni suggerirebbe. Al contrario, cisteina, arginina, istidina e prolina appaiono meno spesso del previsto. Il team ha proposto che queste deviazioni non siano errori casuali, ma il risultato di pressioni evolutive successive. Ad esempio, la metionina è sovrautilizzata perché funge da segnale di inizio essenziale per la costruzione di ogni proteina, un ruolo che richiede la sua presenza indipendentemente dal suo elevato costo metabolico. La cisteina, che contiene zolfo, è sottoutilizzata probabilmente perché lo zolfo è spesso scarso nell'ambiente e perché un eccesso di esso può causare l'aggregazione errata delle proteine. Allo stesso modo, la prolina è usata con parsimonia perché la sua struttura rigida può rendere difficile per le proteine assumere le forme necessarie per funzionare.
I ricercatori hanno anche esplorato se il codice genetico fosse un "incidente congelato", un termine coniato dal premio Nobel Francis Crick per suggerire che il codice fosse stato fissato per caso e non potesse cambiare. Le loro scoperte sfidano questa visione. La forte correlazione tra il conteggio delle parole e l'utilizzo suggerisce che il codice non fosse casuale ma sia stato ottimizzato per soddisfare le necessità delle prime forme di vita. Una volta che il codice è diventato fisso, tuttavia, la vita ha continuato a evolversi. Man mano che gli organismi si adattavano a nuovi ambienti e sviluppavano funzioni complesse, la selezione naturale ha perfezionato l'abbondanza di specifici amminoacidi, causando loro di allontanarsi dall'equilibrio originale. Il codice genetico stesso è rimasto congelato, ma le proteine che costruiva sono cambiate per adattarsi alle necessità dell'organismo.
Uno degli aspetti più sorprendenti dello studio è quanto bene questo modello si mantenga negli eucarioti, gli organismi complessi che includono piante, animali e funghi, evolutisi miliardi di anni dopo l'instaurazione del codice genetico. Nonostante la vasta distanza evolutiva, la correlazione tra il numero di codoni e la frequenza degli amminoacidi rimane sorprendentemente forte in queste forme di vita complesse. Ciò suggerisce che il design iniziale del codice sia stato così efficace da persistere come regola fondamentale, anche mentre la vita si diversificava nelle miriadi di forme che vediamo oggi. Lo studio ha inoltre notato che, sebbene alcuni amminoacidi siano sovrarappresentati o sottorappresentati, l'equilibrio complessivo delle cariche positive e negative nelle proteine rimane relativamente stabile attraverso i diversi ambienti, indicando che la natura mantiene un delicato equilibrio per mantenere le proteine solubili e funzionali.
In definitiva, questa analisi completa offre un quadro più chiaro di come sia stato scritto il manuale di istruzioni della vita. Suggerisce che il codice genetico non fosse una collezione casuale di assegnazioni, ma un sistema sintonizzato sulla disponibilità e sul costo dei mattoni disponibili all'alba della vita. Sebbene le pressioni evolutive successive abbiano introdotto variazioni per soddisfare specifiche esigenze biologiche, la struttura sottostante del codice conserva ancora la chiara impronta di quelle antiche richieste. La ricerca conferma che il numero di parole assegnate a ciascun amminoacido è un potente predittore di quanto spesso quell'amminoacido venga utilizzato, offrendo uno sguardo raro sui vincoli e sulle scelte che hanno plasmato i primissimi sistemi viventi.
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