From code to translation–

What could be the role of the first peptides?

Ádám Kun & Ádám Radványi

Dpt. Plant Systematics, Ecology and Theoretical Biology, Eötvös University, Budapest, Hungary

Parmenides Center for the Conceptual Foundations of Science, Munich/Pullach, Germany

RNA WORLD

• We want to understand the development of the RNA world

• This is a probable series of events in which cellular organization evolved without peptide enzymes

RNA World

Genetic Code

Catalysis

Possible other roles

Supra‐molecular chemistry

Kun Á., A. Szilágyi, B. Könnyű, G. Boza, I. Zachár and E. Szathmáry 2015.  Annals of the New York Academy of Sciences, 1341, 75‐95.

Code Biology Conference Urbino 2016 

Chapters of the RNA WORLD

• Amino acids were recruited in the genetic code to offer something to the RNA world

• Peptides synthesis (not template based) was invented to offer something to the RNA world

• Template based peptide synthesis (translation) was invented to offer something to the RNA world

RNA World

Genetic Code

Catalysis

Possible other roles

Supra‐molecular chemistry

Code Biology Conference Urbino 2016 

Evolution of translation

• How did the RNA world enter the RNA‐peptide world?

• How did translation evolve?

RNA World

Genetic Code

Catalysis

Possible other roles

Supra‐molecular chemistry

Code Biology Conference Urbino 2016 

Stepwise evolution of translation

• Amino acids –> oligopeptides ‐> translation

• At each step of this series of events fitness need to increase considerably

RNA World

Genetic Code

Catalysis

Possible other roles

Supra‐molecular chemistry

Code Biology Conference Urbino 2016 

The Genetic Code• Coding linking a triplet to an amino‐acid

• Which are the first amino acids to be included in the code?

RNA World

Genetic Code

Catalysis

Possible other roles

Supra‐molecular chemistry

Code Biology Conference Urbino 2016 

Empirical and hypothetical abundance of amino acidsRNA World

Genetic Code

Catalysis

Possible other roles

Supra‐molecular chemistry

Longo, Liam M., and Michael Blaber. 2012. Protein design at the interface of the pre‐biotic and biotic worlds. Archivesof Biochemistry and Biophysics 526(1):16–21.

Code Biology Conference Urbino 2016 

The Genetic Code• Hydrophobic amino‐acids are important!

RNA World

Genetic Code

Catalysis

Possible other roles

Supra‐molecular chemistry

U C A GPhe Ser Tyr Cys UPhe Ser Tyr Cys CLeu Ser STOP STOP ALeu Ser STOP Trp GLeu Pro His Arg ULeu Pro His Arg CLeu Pro Gln Arg ALeu Pro Gln Arg GIle Thr Asn Ser UIle Thr Asn Ser CIle Thr Lys Arg AMet Thr Lys Arg GVal Ala Asp Gly UVal Ala Asp Gly CVal Ala Glu Gly AVal Ala Glu Gly G

U

C

A

G

Code Biology Conference Urbino 2016 

Catalytic sites of enzymesRNA World

Genetic Code

Catalysis

Possible other roles

Supra‐molecular chemistry

Kun, Á., Pongor, S., Jordán, F. and Szathmáry, E. 2007. Catalytic propensity of amino acids and the origins of the genetic code and proteins. ‐ In: M. Barbieri (ed.) The Codes of Life: The Rules of Macroevolution. Springer, pp. 39‐58

U C A GPhe Ser Tyr Cys UPhe Ser Tyr Cys CLeu Ser STOP STOP ALeu Ser STOP Trp GLeu Pro His Arg ULeu Pro His Arg CLeu Pro Gln Arg ALeu Pro Gln Arg GIle Thr Asn Ser UIle Thr Asn Ser CIle Thr Lys Arg AMet Thr Lys Arg GVal Ala Asp Gly UVal Ala Asp Gly CVal Ala Glu Gly AVal Ala Glu Gly G

U

C

A

GCode Biology Conference Urbino 2016 

Catalytic sites of enzymes

• While glycine is involved in catalytic sites, most of the time not alone, and thus do not have catalytic function

RNA World

Genetic Code

Catalysis

Possible other roles

Supra‐molecular chemistry

Code Biology Conference Urbino 2016 

If not catalysis, then what?• RNA scaffolding• Trans‐membrane regions (transport)• RNA protection / capsid

RNA World

Genetic Code

Catalysis

Possible other roles

Supra‐molecular chemistry

Code Biology Conference Urbino 2016 

RNA scaffolding

• The amino acids assumed to be the first to enter the code are abundant in the globular part of ribozyme peptides.

RNA World

Genetic Code

Catalysis

Possible other roles

Supra‐molecular chemistry

Code Biology Conference Urbino 2016 

Trans‐membrane proteins

• RNA can effect the properties of a membrane, but cannot submerge into it without some hydrophobic side chain

RNA World

Genetic Code

Catalysis

Possible other roles

Supra‐molecular chemistry

Code Biology Conference Urbino 2016 

S layer proteins

• Envelope around archaeal and bacterial cells

• Defense function (among others)

RNA World

Genetic Code

Catalysis

Possible other roles

Supra‐molecular chemistry

Code Biology Conference Urbino 2016 

Capsid and viral coat protein sequencesRNA World

Genetic Code

Catalysis

Possible other roles

Supra‐molecular chemistry

Code Biology Conference Urbino 2016 

Capsids and viral coat proteins• Capsids protect RNA (DNA)

• They self‐assemble from numerous copies of one (or more) peptides

• Protection from the ravages of the environment is important!

• Capsids are ancient peptides

RNA World

Genetic Code

Catalysis

Possible other roles

Supra‐molecular chemistry

Code Biology Conference Urbino 2016 

Supramolecular chemistry• The first peptides were short, composed of a few amino‐acids, and were assembled in a non‐templated manner

• The genetic code can still be used for the reactions! (there is just no transcription)

• The properties of di‐ and tripeptides need to be elucidated

RNA World

Genetic Code

Catalysis

Possible other roles

Supra‐molecular chemistry

Code Biology Conference Urbino 2016 

AcknowledgementCoworkers

• Prof. Eörs Szathmáry• Dr. András Szilágyi• Dr. Balázs Könnyű• Dr. Gergely Boza• Dr. István Zachar• András Hubai• Dóra Szendrei• Ádám Radványi

Funding• ERC (#294332)• OTKA K100299• Bolyai Fellowship• COST action CM1304 

THANK YOU FOR YOUR ATTENTION!

• Kun, Á., et al. 2015. The dynamics of the RNA world: Insights and challenges. Annals of the New York Academy of Sciences. 1341: 75‐95.