Угрожают ли химеры гипотезе «мира РНК»?



В последние годы гипотеза «мира РНК», согласно которой на заре становления жизни молекулы РНК одновременно выполняли функции носителей информации и катализаторов синтеза новых подобных себе молекул (а ДНК вступила в игру позже), уже практически стала прописной истиной. Этому способствовали многочисленные доказательства в ее пользу — не только химические, но и молекулярно-биологические, биохимические и биоинформатические. Некоторые структуры наших клеток, как живые ископаемые, позволяют увидеть скрытые внутри нас кусочки того древнего мира. Однако недавняя публикация группы химиков под руководством Раманараянана Кришнамурти предлагает альтернативный взгляд на пребиотическую эволюцию. Исследователи предположили, что жизнь возникла из химерных молекул, наполовину состоящих из ДНК, а наполовину — из РНК. По их версии, ДНК и РНК возникли вместе на самых ранних стадиях эволюции, пройдя первые эволюционные шаги «рука об руку».

Гипотеза «мира РНК» утверждает, что в незапамятные времена — еще до появления даже одноклеточной жизни — функции хранителя наследственной информации и катализатора-фермента выполнялись одними и теми же молекулами — рибонуклеиновыми кислотами, РНК. То есть жизнь как таковая могла быть основана практически на одних РНК и не требовать ни ДНК, ни белков (как сейчас). Согласно этой гипотезе, ДНК и белки «вышли на арену» и взяли на себя современные функции позже.

Лет 10–15 назад это представление еще казалось просто гипотезой. Но в последние годы оно воспринимается в научном сообществе уже как нечто привычное и почти доказанное. Примерно так же, как сейчас воспринимаются черные дыры — особенно после публикации первой «фотографии» дыры, созданной путем обсчета данных с множества радиотелескопов (рис. 2, подробнее об этом читайте в новости Черная дыра галактики M87: портрет в интерьере, «Элементы», 14.04.2019). Методы вычислительной биологии позволили практически поймать «мир РНК» за руку и тоже показать его на картинке (но об этом — ниже).

С самого начала гипотеза «мира РНК» привлекала ученых изящным решением проблемы «курицы и яйца» (или «феникса и огня»), вынесенной в эпиграф этой статьи. Ведь в современных живых клетках для репликации ДНК/РНК нужен белок-фермент, а для синтеза белка нужны ДНК или РНК — получается порочный круг. Эта загадка могла бы стать для эволюционистов куда худшим происшествием, чем «отвратительная тайна» происхождения цветковых растений для Чарльза Дарвина. Фундаментальное открытие, что РНК способны сами работать как фермент (рибозим), совмещая в себе функции носителя наследственной информации и биокатализатора, оказалось весьма кстати. И до сегодняшнего дня не предложено никакого более внятного решения этой проблемы. Проще говоря, «миру РНК» просто нет альтернативы.

Но есть и более сильные аргументы в пользу «мира РНК». Во-первых, современная эволюционная биохимия продвинулась куда дальше экспериментов Стэнли Миллера: теперь экспериментально воспроизведены многие пред-биохимические процессы, которые, как предполагается, могли протекать в «мире РНК». Все такие эксперименты перечислить в одной статье вряд ли возможно, — да и это уже сделал Михаил Никитин в книге «Происхождение жизни: От туманности до клетки».

Во-вторых, что еще важнее, наши клетки хранят внутри себя реликты мира РНК. К их числу, вероятно, относятся транспортные РНК с их характерной формой «клеверного листа» (рис. 3). Сюда же с некоторой натяжкой можно добавить многие витамины и коферменты (например, НАД и ФАД), по химической структуре родственные нуклеотидам — «буквам» РНК. Более впечатляющий пример — рибонуклеаза P (ribonuclease P), содержащая в своей сердцевине РНК, которая и является ее активным центром и собственно катализатором (рис. 4). То есть рибонуклеаза P — самый настоящий рибозим. Конечно, белки в ее составе есть, но они играют не главную роль — для ферментативной активности достаточно самой РНК.



Но самое главное «живое ископаемое» из мира РНК в наших клетках — рибосома, та самая молекулярная машинка, которая синтезирует наши белки (см. рис. 1 и рис. 5). Совсем недавно она казалась абсолютно «неупрощаемой» в эволюционном плане — убери хотя бы один компонент, и вся сложная машина развалится, превратившись в груду ни на что не годного молекулярного мусора.

Аргумент о «неупрощаемой сложности» некоторых органов или биологических структур иногда приводят креационисты, пытаясь обосновать теорию разумного замысла. Самый любимый объект у них, еще со времен Дарвина, — глаз. Правда, с тех пор было найдено много переходных форм глаза, что делает конкретно этот аргумент совсем уж несостоятельным.

Именно рибосома наиболее интересна в плане исследования «мира РНК», поскольку ее «пламенным мотором» является РНК — рибосомная РНК (рРНК). Оказывается, эта рРНК состоит из относительно самостоятельных фрагментов — доменов (М. Никитин, «Происхождение жизни: От туманности до клетки»). И если отделять домены в определенном порядке, можно разобрать рибосому как конструктор, не разломав деталей. Рибосома при этом не потеряет в одночасье свою структуру и функцию, оставаясь способной синтезировать белки, — пусть уже и без соответствия матричной РНК (мРНК). Более того, в структуре большой субъединицы рибосомы выделяются четко выраженные слои, подобные луковой шелухе (рис. 5), различающиеся содержанием ионов магния и белков, а также структурой контактов между участками самой РНК. Это явное указание на то, что они имеют разный эволюционный возраст (C. Hsiao et al., 2009. Peeling the Onion: Ribosomes Are Ancient Molecular Fossils).

Если убрать все внешние домены и слои, то останется сердцевина рибосомы — пептидилтрансферазный центр, который в современных рибосомах занимается присоединением новой аминокислоты к растущему полипептиду. При этом он не умеет контролировать по мРНК, правильную ли аминокислоту он присоединил, — этим занимаются «оболочки» большой субъединицы и малая субъединица. Получается, что в прошлом этот центр существовал как отдельный рибозим, соединяющий аминокислоты в цепочку. Его можно было бы назвать протеин-полимеразой (по аналогии с ДНК- и РНК-полимеразами). Трудно сказать, как он контролировал правильность присоединения аминокислот. Вполне возможно, что никак — ведь речь идет о рибозиме, существовавшем в предбиотическом мире задолго до появления последнего общего предка всей клеточной жизни — LUCA. Ученые даже смогли реконструировать на компьютере структуру этого рибозима и визуализировать ее (рис. 6): устроив — почти в буквальном смысле — раскопки рибосомы, они откопали кусочек «мира РНК». Подробно об этом рассказано в новости Тайна происхождения рибосом разгадана? («Элементы», 27.02.2009).

Более того, биологам удалось проследить возможную эволюцию этого «кусочка». РНК хороши тем, что их можно заставить эволюционировать в пробирке! Естественный отбор при этом имитируется многократными циклами аффинной хроматографии с той мишенью, которую в итоге РНК должна связывать, а размножение — амплификацией РНК с помощью ПЦР. Мутационный процесс обеспечивается тем, что используется особенно «неточная» полимераза, часто делающая ошибки. Такой подход называется SELEX (systematic evolution of ligands by exponential enrichment — систематическая эволюция лигандов экспоненциальным обогащением). Обычно таким образом создаются РНК, которые должны что-то связывать (они называются аптамерами). Такие РНК находят применение в диагностике и терапии (см., например, книгу Д. Нельсон, М. Кокс, «Основы биохимии Ленинджера»).

Исследователям удалось приспособить эту методику и для создания каталитических РНК — рибозимов. В том числе — пептидилтрансферазных рибозимов, катализующих «сшивание» аминокислот в полимер. Оказалось, что многие «клоны» пептидилтрансферазных рибозимов, получаемые при помощи эволюции в пробирке, имеют в своем активном центре последовательность из восьми азотистых оснований, встречающуюся также в «сердце» пептидилтрансферазного центра, — AUAACAGG (см. B. Zhang, T. R. Cech, 1997. Peptide bond formation by in vitro selected ribozymes, B. Zhang, T. R. Cech, 1998. Peptidyl-transferase ribozymes: trans reactions, structural characterization and ribosomal RNA-like features, а также книгу Д. Нельсон, М. Кокс, «Основы биохимии Ленинджера»). Так что возможность возникновения «протеин-полимеразы», ставшей пра-прародителем большой субъединицы рибосомы, была показана наглядно. Любопытно, что эволюция такого рибозима оказалась очень канализированной: по-видимому, существует только одно оптимальное решение для его создания — комбинация из тех самых 8 оснований. Природа нашла его однажды — и оно с тех пор навсегда в наших сердцах… то есть в наших рибосомах.

Такой пример сам по себе способен убедить в реальности «мира РНК». Получение изображения древнего пептидилтрансферазного рибозима (пусть пока в компьютерной модели) по силе аргументации немногим уступает интерферометрической «фотографии» черной дыры. Более того, появляются все новые аргументы в пользу того, что вначале была все же РНК. В 2020 году вышла яркая работа группы Евгения Кунина, в которой методами биоинформатики реконструировалась эволюция ДНК и РНК-полимераз (об этой работе рассказано в новости Репликация ДНК и транскрипция могут иметь общее происхождение, «Элементы», 12.08.2020). Согласно этим реконструкциям, сперва появилась РНК-зависимая РНК-полимераза, от которой потом произошли ДНК-полимеразы. Это тоже недвусмысленно указывает, что исторически первым носителем наследственной информации была РНК.

Казалось бы, картина существовавшего в далеком прошлом «мира РНК» уже настолько цельная и стабильная, что ожидать научной революции здесь не приходится. Но в самом конце прошлого года вышла научная статья группы Рама Кришнамурти (Ramanarayanan Krishnamurthy) из Института Скриппса, пресс-релизы по которой громко заявляли о том, что «жизнь на Земле возникла из смеси РНК и ДНК», и утверждали, что теперь пребиотическая химия должна отказаться от гипотезы «мира РНК». Давайте разберемся, насколько серьезен этот удар по гипотезе «мира РНК».

Стоит отметить, что Кришнамурти с коллегами уже несколько лет занимается проблемами ранней эволюции белков, а их публикации выходят в высокорейтинговых журналах (об одной из предыдущих работ этой группы рассказано в новости Определены вероятные условия абиогенного синтеза полипептидов на ранней Земле, «Элементы», 14.11.2019), регулярно привлекая внимание сообщества.

Обсуждаемая статья — завершающая публикация из целой серии (предыдущая работа была опубликована в журнале Nature Chemistry в 2019 году), начало которой положил обзор «О происхождении РНК» (R. Krishnamurthy, 2015. On the Emergence of RNA), где Кришнамурти подробно анализирует вопрос о возникновении самого «мира РНК». Как раз в этом месте у гипотезы «мира РНК» большие проблемы — пока нет понимания, как РНК могла возникнуть в пребиотических условиях. РНК сама по себе неустойчива. Это контрастирует с «тонкой настройкой» ее структуры для выполнения наследственной и каталитической функций. В общем, очень трудно представить, как РНК могла возникнуть напрямую в пребиотическом «плавильном котле».

Основной подход к решению этой головоломки — допустить, что до РНК были какие-то более простые нуклеиновые кислоты, не существующие ныне, которые называются ксенонуклеиновыми (XNA, КсНК). Вариантов возможных ксенонуклеиновых кислот сейчас предложено достаточно — на любой вкус. Во-первых, нуклеотидный алфавит в те незапамятные времена мог быть шире нынешнего и включать в себя, допустим, никотинамид (который сейчас сохранился в наших клетках в виде кофермента НАД). Могло быть вообще два азотистых основания вместо четырех (с двухбуквенным алфавитом жить как-то попроще). Предложено много замен рибозе — «слабому звену» РНК. Вместо нее могли быть другие сахара, простой двухатомный спирт (рис. 7) и даже пептидные связи (получался бы некий гибрид белка и РНК — пептидонуклеиновая кислота, ПНК). Все такие варианты имеют перед РНК преимущество в плане устойчивости к температуре, щелочам и ионам металлов.

Основной вопрос, которым задается Кришнамурти в своем обзоре — был этот незнакомый нам мир гомогенным (то есть там присутствовали нуклеиновые кислоты только одного вида) или гетерогенным (нуклеиновые кислоты разных видов эволюционировали вместе и, возможно, на каких-то этапах объединялись в одной цепочке, формируя такую предбиохимическую химеру)? Две основные гипотезы, которые он рассматривает, касаются того, от чего произошел переход к РНК: от какой-то гомогенной КсНК или от химеры ДНК-КсНК (рис. 8).



Эти вопросы довольно известны среди современных специалистов по пребиотической химии. Однако Кришнамурти не остановился на обзоре гипотез. Он задался гениально простым вопросом: «что, если вместо КсНК подставить … ДНК?»

До сих пор никто точно не знает, как возникла репликация нуклеиновых кислот в пребиотических условиях, когда не было не то что ферментов, но даже и рибозимов. Привычный нам матричный синтез — сборка одной нити из нуклеотидов на «трафарете» другой — в таких обстоятельствах представляется крайне затруднительным. Поэтому сейчас ученые склоняются к модели, в которой первая репликация происходила не путем полимеризации (сборки нуклеиновой кислоты из отдельных нуклеотидов), а путем лигирования, то есть сшивания коротких последовательностей (рис. 8). Сшивание должно было происходить на матрице имеющейся цепи, при этом соединялись бы только последовательности, комплементарные ей. С наших современных позиций такой способ может показаться не ахти каким эффективным, но какое-то время он вполне мог служить основой воспроизводства нуклеиновых кислот.

Беда только в том, что после произошедшей репликации двум нитям нуклеиновой кислоты сложно разойтись из-за мощных водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями. Те же силы, которые поддерживают двойную спираль ДНК, будут стремиться сцепить цепи навсегда, как застегнутую «молнию». В современных клетках «молния» ДНК перед репликацией «расстегивается» специальными белками репликативного комплекса — их действие можно сравнить с бегунком застежки-молнии. Но в пребиотических условиях таких белков не было — реплицировавшаяся нуклеиновая кислота рисковала оказаться в положении застегнутой молнии без бегунка. Если кто-то оказывался в такой ситуации, то знает, как трудно расстегнуть такую застежку. Но в такой ситуации ДНК имеет преимущество перед РНК — она менее «клейкая». Это повышает шансы, что цепи случайно разойдутся после репликации в результате теплового движения.

Группа Кришнамурти решила испытать в эксперименте химерные последовательности — то есть гетерогенные нуклеиновые кислоты РНК/ДНК, где дезоксирибонуклеотиды чередуются с рибонуклеотидами. Это исследование и было описано в статье, опубликованной в журнале Nature Chemistry.



Оказалось, что при определенных условиях эти химеры вполне способны катализировать «сшивание» коротких олигомеров в другие себе подобные молекулы — свои ДНК-РНК-копии. Но, что более интересно, оказалось, что такие химеры неплохо катализируют и сшивание чистой РНК! Чем не мост от пребиотических условий к РНК? Через РНК, в свою очередь, оказалась возможной и регенерация ДНК-РНК-химер. То есть такая система — хороший кандидат на самоподдержание и размножение в абиотических условиях. Для сравнения авторы провели похожие эксперименты с гетерогенными треозонуклеиново-рибонуклеиновыми кислотами (ТНК-РНК-химерами) — одной из форм ксенонуклеиновых кислот. Такие молекулы показали куда худшие результаты. Так что замена КсНК на ДНК в гетерогенной нуклеиновой кислоте оказалась удачной. Но для этого необходимо ответить на вопрос: могла ли образовываться ДНК в пребиотических условиях?

Пока группа Кришнамурти проверила только возможность присоединения фосфатных групп к дезоксирибонуклеозидам с последующей полимеризацией. Результаты этого исследования изложены в обсуждаемой статье, опубликованной в конце прошлого года в журнале Angewandte Chemie. Согласно ей, такая реакция могла происходить при участии простого соединения диамидофосфата, которого на древней Земле могло быть в избытке. Сразу отметим, что вопрос о том, как на древней Земле появились дезоксирибонулеозиды, остается открытым. Напомним, что нуклеозиды состоят из азотистого основания и сахара — то есть к моменту предполагаемого взаимодействия с диамидософсфатом вопросы «Откуда взять азотистые основания?» и «Откуда взять дезоксирибозу?» должны были быть уже как-то решены. Учитывая, что дезоксирибоза является близким аналогом рибозы (которую так трудно получить и сохранить в абиотических условиях) в вопросе происхождения ДНК все еще очень много белых пятен. Да и, собственно, от неудобного вопроса о происхождении рибозы — «слабого места» РНК — исследование Кришнамурти никак не спасает. Ведь для предлагаемого им сценария «строительные блоки» РНК должны были существовать с начала времен — вместе с «кирпичиками» ДНК. Пока это исследование явно не похоже на панацею в вопросе происхождения РНК.

Если представить путь от простейших молекул до РНК, то станет ясно, что исследование группы Кришнамурти показало лишь две точки на этом пути. Все остальные его этапы остаются неизведанными: эта серия публикаций лишь на пару шагов приближает нас к разгадке происхождения нуклеиновых кислот. Уже поэтому не следует преждевременного говорить, что в пребиотической химии случился переворот и «мир РНК» «умер».

Есть и еще одно важное соображение. Как можно видеть на рис. 8, группа Кришнамурти нарисовала правдоподобный сценарий эволюции нуклеиновых кислот через стадию ДНК-РНК-химер. Он отличается отсутствием «мира РНК» как одного из этапов. Группа Кришнамурти расставляет акценты именно таким образом, что современный «мир ДНК-РНК» произошел прямо от древнего химерного ДНК-РНК-мира. На первый взгляд, это кажется самым простым предположением. Но из обсуждаемых статей в Nature Chemistry и Angewandte Chemie это прямо не следует.

Эти две статьи указывают лишь на две «точки» на схеме, уже показанной на рис. 8. Я еще раз указал их на рис. 10. Статья в Angewandte Chemie указывает на теоретическую возможность первой стадии — смеси из «строительных блоков» ДНК-РНК. И то, как уже было сказано, с некоторой натяжкой.



Статья в Nature Chemistry указывает на возможность второй стадии — химерного ДНК-РНК-мира. Но оба исследования никоим образом не говорят о том, что было между этими стадиями. Поэтому все стрелки на рис. 8 весьма условны и зависят от интерпретации. В частности, группа Кришнамурти предполагает прямой переход от химерного РНК-ДНК-мира к современному, минуя РНК-мир (это символизирует удлиненная стрелка). Однако экспериментальные данные этой же группы позволяют предложить и другой сценарий: переход к РНК-миру от химерного ДНК-РНК-мира (пунктирная стрелка на рис. 10).

В таком случае полностью копируется «верхний» сценарий: КсНК+РНК → РНК → РНК+ДНК. То есть предположение в целом звучит весьма правдоподобно. Фактически, это требует еще одного смелого допущения: однажды возникнув, ДНК долго была «не у дел» или вообще возникла дважды.

Оно казалось бы нелепым, если бы мы хорошо представляли себе периодизацию пребиотического мира и стадии его развития. Но ни одна из существующих гипотез, никакие экспериментальные данные не позволяют нам даже четко задать временные рамки происхождения жизни, не говоря уже о хронологии процессов. Наши знания похожи на представления гипотетических инопланетных археологов, обладающих лишь очень грубыми инструментами и познаниями в земной жизни и прилетевшими изучать историю Земли. Они могли бы узнать, что существовал Александр Македонский, строились пирамиды Древнего Египта и была Вторая мировая война — но могли бы запросто перепутать эпохи и отнести пирамиды ко времени начала Второй Мировой войны. Так и наши представления о пребиотическим мире: мы уже представляем «что?» и «как?», но не знаем «когда?». В этих условиях сложно делать выводы, что могло или не могло существовать параллельно. Именно в силу спекулятивности подобных рассуждений данные Кришнамурти не опровергают теорию РНК-мира, а позволяют лишь строить предположения о более ранних этапах предбиологической эволюции.

Здесь следует вернуться к тому, о чем я писал в начале статьи. Если на заре своего существования гипотеза «мира РНК» была чисто химическим решением сложного вопроса (примерно как гипотеза Кришнамурти сейчас), то на данный момент обнаружены, реконструированы и визуализированы «живые ископаемые» этого мира. То есть экспериментальная база у РНК-мира очень солидна и выходит за рамки пребиотической химии. И двух статей химического плана явно недостаточно для революции в этих представлениях. Так что от концепции «мира РНК» отказываться рано — пока ни одна гипотеза не объясняет экспериментальных и расчетных данных лучше нее. Другое дело — вопрос, что было до мира РНК? Однако этот вопрос еще далек от своего решения.

Источник: Eddy I. Jiménez, Clémentine Gibard, Ramanarayanan Krishnamurthy. Prebiotic Phosphorylation and Concomitant Oligomerization of Deoxynucleosides to form DNA // Angewandte Chemie. 2020. DOI: 10.1002/anie.202015910.

Георгий Куракин

0 0 голоса
Рейтинг статьи

Опубликовано: 20.05.2021 в 13:59

Автор:

Категории: Наука и технологии

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии