Асимметрия нуклеотидных замен в тРНК свидетельствует об общем происхождении современных организмов от термофильного предка

   Природа последнего универсального общего предка (last universal common ancestor, LUCA) всех ныне живущих организмов до сих пор остается актуальной проблемой биологии. Существуют свидетельства в пользу того, что LUCA был как термофилом, так и мезофилом. Усложнение клеточного аппарата в ходе эволюции от ранних форм жизни к современным организмам могло проявиться в долговременных эволюционных изменениях нуклеотидного состава генетических последовательностей. Выявлению подобных тенденций в последовательностях тРНК посвящена эта работа. Представлены результаты эволюционного анализа точечных нуклеотидных замен в тРНК 123 видов трех доменов: Bacteria, Archaea и Eukaryota. Обнаружен универсальный вектор направленного эволюционного изменения последовательностей тРНК, при котором замены гуанина (G) и цитозина (С) на аденин (А) и урацил (U) суммарно происходят чаще обратных. Наиболее ярко асимметрия числа замен наблюдается в следующих переходах: а) между пуринами в преобладании числа замен G→A над числом замен A→G; б) между пиримидинами в преобладании C→U над U→C, а также в) при переходе из пурина в пиримидин и наоборот – в преобладании G→U над U→G. В результате эволюционного процесса тРНК могли терять «сильные» комплементарные пары с тремя водородными связями, формируемые гуанином и цитозином, и фиксировать «слабые» комплементарные пары с двумя водородными связями, образуемые аденином и урацилом. Обнаруженному изменению состава последовательностей были подвержены 16 из 20 семейств тРНК, что соответствует уровню статистической значимости p = 0.006 согласно одностороннему биномиальному тесту. Выявленная закономерность свидетельствует о высоком GC-содержании в последовательности общего предка современных тРНК и, следовательно, подтверждает предположение о том, что самая молодая из гипотетических общих предковых клеток, от которой произошли все ныне живущие организмы (последний универсальный общий предок, LUCA), обитала в более горячей среде, нежели ныне живущие организмы.

1. Bermudez-Santana C., Attolini C.S.-O., Kirsten T., Engelhardt J., Prohaska S.J., Steigele S., Stadler P.F. Genomic organization of eukaryotic tRNAs. BMC Genomics. 2010;11(1):270. doi: 10.1186/1471-2164-11-270

2. Cantine M.D., Fournier G.P. Environmental adaptation from the origin of life to the last universal common ancestor. Orig Life Evol Biosph. 2017;48(1):35-54. doi: 10.1007/s11084-017-9542-5

3. Di Giulio M. The universal ancestor lived in a thermophilic or hyperthermophilic environment. J Theor Biol. 2000;203(3):203-213. doi: 10.1006/jtbi.2000.1086

4. Dutta A., Chaudhuri K. Analysis of tRNA composition and folding in psychrophilic, mesophilic and thermophilic genomes: indications for thermal adaptation. FEMS Microbiol Lett. 2010;305(2):100-108. doi: 10.1111/j.1574-6968.2010.01922.x

5. Galtier N., Tourasse N., Gouy M. A non hyperthermophilic common ancestor to extant life forms. Science. 1999;283(5399):220-221. doi: 10.1126/science.283.5399.220

6. Jordan I.K., Kondrashov F.A., Adzhubei I.A., Wolf Y.I., Koonin E.V., Kondrashov A.S., Sunyaev S. A universal trend of amino acid gain and loss in protein evolution. Nature. 2005;433(7026):633-638. doi: 10.1038/nature03306

7. Klopfstein S., Vilhelmsen L., Ronquist F. A nonstationary Markov model detects directional evolution in hymenopteran morphology. Syst Biol. 2015;64(6):1089-1103. doi: 10.1093/sysbio/syv052

8. Lehmann E.L. The Fisher, Neyman-Pearson theories of testing hypotheses: one theory or two? In: Rojo J. (Ed.) Selected Works of E.L. Lehmann. Selected Works in Probability and Statistics. Boston, MA: Springer, 2012;201-208. doi :10.1007/978-1-4614-1412-4_19

9. Men Y., Lu G., Wang Y., Lin J., Xie Q. Reconstruction of the rRNA sequences of LUCA, with bioinformatic implication of the local similarities shared by them. Biology. 2022;11(6):837. doi: 10.3390/biology11060837

10. Moody E.R.R., Álvarez-Carretero S., Mahendrarajah T.A., Clark J.W., Betts H.C., Dombrowski N., Szánthó L.L., … Spang A., Pisani D., Williams T.A., Lenton T.M., Donoghue P.C.J. The nature of the last universal common ancestor and its impact on the early Earth system. Nat Ecol Evol. 2024;8(9):1654-1666. doi: 10.1038/s41559-024-02461-1

11. Rickert D.A., Fan L.W.-T., Hahn M.W. Inconsistency of parsimony under the multispecies coalescent. Theor Popul Biol. 2025;166:56-69. doi: 10.1016/j.tpb.2025.09.004

12. Romanova E.V., Bukin Y.S., Mikhailov K.V., Logacheva M.D., Aleoshin V.V., Sherbakov D.Yu. Hidden cases of tRNA gene duplication and remolding in mitochondrial genomes of amphipods. Mol Phylogenet Evol. 2020;144:106710. doi: 10.1016/j.ympev.2019.106710

13. Soucy S.M., Huang J., Gogarten J.P. Horizontal gene transfer: building the web of life. Nat Rev Genet. 2015;16(8):472-482. doi: 10.1038/nrg3962

14. Sprinzl M., Horn C., Brown M., Ioudovitch A., Steinberg S. Compilation of tRNA sequences and sequences of tRNA genes. Nucleic Acids Res. 1998;26(1):148-153. doi: 10.1093/nar/26.1.148

15. Velandia-Huerto C.A., Berkemer S.J., Hoffmann A., Retzlaff N., Romero Marroquín L.C., Hernández-Rosales M., Stadler P.F., Bermúdez-Santana C.I. Orthologs, turn-over, and remolding of tRNAs in primates and fruit flies. BMC Genomics. 2016;17(1):617. doi: 10.1186/s12864-016-2927-4

16. Weiss M.C., Sousa F.L., Mrnjavac N., Neukirchen S., Roettger M., Nelson-Sathi S., Martin W.F. The physiology and habitat of the last universal common ancestor. Nat Microbiol. 2016;1(9):16116. doi: 10.1038/nmicrobiol.2016.116