Мир рнк как предшественник современной жизни кратко. Жизнь начиналась с рнк
Кандидат биологических наук С. ГРИГОРОВИЧ.
На самой ранней заре своей истории, когда человек приобрел разум, а с ним и способность к абстрактному мышлению, он стал пленником непреодолимой потребности все объяснить. Почему светят Солнце и Луна? Почему текут реки? Как устроен мир? Безусловно, одним из самых главных был вопрос о сути живого. Резкое отличие живого, растущего, от мертвого, неподвижного, слишком бросалось в глаза, чтобы его можно было проигнорировать.
Первый вирус, описанный Д. Ивановским в 1892 году, - вирус табачной мозаики. Благодаря этому открытию стало ясно, что существуют живые создания более примитивные, чем клетка.
Русский микробиолог Д. И. Ивановский (1864-1920), основоположник вирусологии.
В 1924 году А. И. Опарин (1894-1980) высказал предположение, что в атмосфере молодой Земли, состоявшей из водорода, метана, аммиака, углекислого газа и паров воды, могли синтезироваться аминокислоты, которые затем спонтанно соединились в белки.
Американский биолог Освальд Эвери убедительно продемонстрировал в опытах с бактериями, что именно нуклеиновые кислоты отвечают за передачу наследственных свойств.
Сравнительная структура РНК и ДНК.
Двумерная пространственная структура рибозима простейшего организма Tetrahymena.
Схематическое изображение рибосомы - молекулярной машины для синтеза белка.
Схема процесса "эволюции в пробирке" (селекс-метод).
Луи Пастер (1822-1895) первым обнаружил, что кристаллы одного и того же вещества - винной кислоты - могут иметь две зеркально-симметричные пространственные конфигурации.
В начале 1950-х годов Стенли Миллер из Чикагского университета (США) проделал первый эксперимент, моделирующий химические реакции, которые могли протекать в условиях молодой Земли.
Хиральные молекулы, например аминокислоты, зеркально симметричны, как левая и правая рука. Сам термин "хиральность" происходит от греческого слова "хирос" - рука.
Теория РНК-мира.
Наука и жизнь // Иллюстрации
На каждом этапе истории люди предлагали свое решение загадки появления жизни на нашей планете. Древние, не знавшие слова "наука", находили для неизвестного простое и доступное объяснение: "Все, что есть вокруг, было когда-то и кем-то создано". Так появились боги.
Со времен зарождения древних цивилизаций в Египте, Китае, затем и в колыбели современной науки - Греции, вплоть до Средних веков, основным методом познания мира служили наблюдения и мнения "авторитетов". Постоянные наблюдения однозначно свидетельствовали, что живое при соблюдении определенных условий появляется из неживого: комары и крокодилы - из болотной тины, мухи - из гниющей пищи, а мыши - из грязного белья, пересыпанного пшеницей. Важно лишь соблюсти определенную температуру и влажность.
Европейские "ученые" Средневековья, опираясь на религиозную догму о сотворении мира и непостижимости божественных замыслов, считали возможным спорить о зарождении жизни только в рамках Библии и религиозных писаний. Суть сотворенного Богом невозможно постичь, а можно лишь "уточнить", пользуясь сведениями из священных текстов или находясь под влиянием божественного вдохновения. Проверять гипотезы в то время считалось плохим тоном, и всякая попытка подвергнуть сомнению мнение святой церкви рассматривалась как дело небогоугодное, ересь и святотатство.
Познание жизни топталось на месте. Вершиной научной мысли в течение двух тысяч лет оставались достижения философов Древней Греции. Наиболее значимыми из них были Платон (428/427 - 347 гг. до н. э.) и его ученик Аристотель (384 - 322 гг. до н. э.). Платон в числе прочего предложил идею одушевления изначально неживой материи благодаря вселению в нее бессмертной нематериальной души - "психеи". Так появилась теория самозарождения живого из неживого.
Великое для науки слово "эксперимент" пришло с эпохой Возрождения. Две тысячи лет понадобились для того, чтобы человек решился усомниться в непреложности авторитетных утверждений ученых древности. Одним из первых смельчаков, известных нам, стал итальянский врач Франсиско Реди (1626 - 1698). Он провел чрезвычайно простой, но эффектный опыт: поместив в несколько сосудов по куску мяса, одни из них накрыл плотной тканью, другие - марлей, а третьи оставил открытыми. Тот факт, что личинки мух развивались только в открытых сосудах (на которые могли садиться мухи), но не в закрытых (к которым все же был доступ воздуха), резко противоречил верованиям сторонников Платона и Аристотеля о непостижимой жизненной силе, носящейся в воздухе и превращающей неживую материю в живую.
Этот и подобные ему опыты положили начало периоду ожесточенных сражений между двумя группами ученых: виталистами и механистами. Суть спора состояла в вопросе: "Может ли функционирование (и появление) живого быть объяснено физическими законами, применимы ми также и к неживой материи?" Виталисты отвечали на него отрицательно. "Клетка - только из клетки, все живое - только от живого!" Это положение, выдвинутое в середине XIX века, стало знаменем витализма. Самое парадоксальное в этом споре то, что даже сегодня, зная о "неживой" природе составляющих наш организм атомов и молекул и в общем согласившись с механистической точкой зрения, ученые не имеют экспериментального подтверждения возможности зарождения клеточной жизни из неодушевленной материи. Никому еще не удалось "составить" даже самую примитивную клетку из "неорганических", присутствующих вне живых организмов, "деталей". А значит, окончательную точку в этом эпохальном споре еще предстоит поставить.
Так как же могла возникнуть жизнь на Земле? Разделяя позиции механистов, легче всего конечно же представить, что жизнь сначала должна была возникнуть в какой-нибудь очень простой, примитивно устроенной форме. Но, несмотря на простоту строения, это все же должна быть Жизнь, то есть то, что обладает минимальным набором свойств, отличающих живое от неживого.
Каковы же они, эти критически важные для жизни свойства? Что, собственно, отличает живое от неживого?
До конца XIX века ученые были убеждены, что все живое построено из клеток, и это является самым очевидным отличием его от неживой материи. Так считали до открытия вирусов, которые, хотя и меньше всех известных клеток, могут активно заражать другие организмы, размножаться в них и производить потомство, обладающее такими же (или очень похожими) биологическими свойствами. Первый из обнаруженных вирусов, вирус табачной мозаики, описан русским ученым Дмитрием Ивановским (1864-1920) в 1892 году. С той поры стало ясно, что более примитивные создания, чем клетки, могут также претендовать на право называться Жизнью.
Открытие вирусов, а затем и еще более примитивных форм живого - вироидов позволило в итоге сформулировать минимальный набор свойств, которые необходимы и достаточны, чтобы исследуемый объект можно было назвать живым. Во-первых, он должен быть способен к воспроизводству себе подобных. Это, однако, не единственное условие. Если бы гипотетическая первородная субстанция жизни (например, примитивная клетка или молекула) была способна лишь просто производить свои точные копии, она в итоге не смогла бы выжить в меняющихся условиях окружающей среды на молодой Земле и образование других, более сложных форм (эволюция) стало бы невозможным. Следовательно, нашу предполагаемую примитивную "субстанцию первожизни" можно определить как нечто, устроенное максимально просто, но при этом способное изменяться и передавать свои свойства потомкам.
n1.doc
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТБиологический факультет
«Мир РНК». Свойства РНК, отвечающие требованиям первых молекул жизни. Модель возникновения аппарата биосинтеза белка (по А.С. Спирину).
Подготовила:
Студентка 4 курса 2 группы
Стрельцова Д. Е.
Минск, 2010
Структура РНК.
Обе нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК – были открыты швейцарским биохимиком Фридрихом Мишером в 1869 году, задолго до выяснения их роли в передаче наследствен ной информации. А наиболее полную информацию об их химическом строении получил Фабус Арон Теодор Левин (1869-1940), американский ученый, родившийся в России и получивший образование в Петербурге.
Нуклеиновые кислоты синтезируются в клетке из нуклеотидов - комплексов азотистого основания, сахара и остатков фосфорной кислоты, служащих универсальными блоками для построения ДНК и РНК. Существуют пять видов азотистых оснований – аденин, тимин, гуанин, цитозин и урацил .
РНК – крупные макромолекулы, каждая из которых представляет собой одну ковалентно-непрерывную полинуклеотидную цепь. В совокупности исследования физико-химических свойств и структурных характеристик изолированных высокополимерных РНК в растворе, выполненные в 1958-1962 гг., привели к формулированию следующих общих принципов их пространственной организации:
РНК, в отличие от ДНК, – одноцепочечный полимер,
РНК формирует вторичную структуру – набор коротких спиральных участков – в основном за счет антипараллельного комплементарного спаривания смежных отрезков цепи;
РНК способна образовывать третичную структуру за счет дальних комплементарных взаимодействий внутри цепи и межспиральных взаимодействий;
Высокополимерная РНК способна сворачиваться в компактные частицы;
РНК обладает значительной конформационной подвижностью.
Способность РНК к формированию компактных трехмерных структур, как и в случае белков, дает основу для специфического взаимодействия с другими молекулами – макромолекулами и малыми лигандами. Для молекул РНК, свернутых в специфическую глобулу, благодаря чему на ее поверхности создается уникальный пространственный узор, приходится допустить возможность функции молекулярного узнавания, как и у белков. В свою очередь, высокоизбирательное узнавание приводит к возможности специфического катализа химических реакций на манер ферментативного катализа реакций белками.
Окончательное признание за РНК способности узнавать самые разнообразные молекулы и весьма специфично взаимодействовать с ними пришло благодаря аптамерам – небольшим по размерам синтетическим РНК, получаемым путем отбора из многих вариантов нуклеотидных последовательностей с помощью процедур так называемой «бесклеточной эволюции», «эволюции в пробирке». Оказалось, что можно отобрать и размножить РНК, обладающие способностью избирательно связывать практически любой вид молекул, начиная от низкомолекулярных органических соединений и кончая различными индивидуальными пептидами и белками. Другими словами, РНК, как и белки, действительно в полной мере могут обладать функцией специфического молекулярного узнавания .
Функции РНК.
Суммирование и обзор знаний о функциях РНК позволяют говорить о необыкновенной многофункциональности этого полимера в живой природе. Можно дать следующий список основных известных функций РНК:
генетическая репликативная функция: структурная возможность копирования (репликации) линейных последовательностей нуклеотидов через комплементарные последовательности. Функция реализуется при вирусных инфекциях и аналогична главной функции ДНК в жизнедеятельности клеточных организмов – редупликации генетического материала.
кодирующая функция: программирование белкового синтеза линейными последовательностями нуклеотидов. Это та же функция, что и у ДНК. И в ДНК, и в РНК одни и те же триплеты нуклеотидов кодируют 20 аминокислот белков, и последовательность триплетов в цепи нуклеиновой кислоты есть программа для последовательной расстановки 20 видов аминокислот в полипептидной цепи белка.
структурообразующая функция: формирование уникальных трехмерных структур. Компактно свернутые молекулы малых РНК принципиально подобны трехмерным структурам глобулярных белков, а более длинные молекулы РНК могут образовывать и более крупные биологические частицы или их ядра.
функция узнавания: высокоспецифические пространственные взаимодействия с другими макромолекулами (в том числе белками и другими РНК) и с малыми лигандами. Эта функция, пожалуй, главная у белков. Она основана на способности полимера сворачиваться уникальным образом и формировать специфические трехмерные структуры. Функция узнавания является базой специфического катализа.
каталитическая функция: специфический катализ химических реакций рибозимами. Данная функция аналогична энзиматической функции белков-ферментов.
Мир РНК и эволюция в пробирке
Метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), который позволяет размножать нуклеиновые кислоты в неограниченных количествах. Кратко опишем суть метода. Для размножения ДНК в методе ПЦР используются ферменты ДНК-полимеразы, т. е. те самые ферменты, которые при размножении клеток синтезируют из активированных мономеров-нуклеотидов комплементарные цепочки ДНК.
При методе ПЦР в пробирку с ДНК вносят смесь активированных нуклеотидов, фермент ДНК-полимеразу и так называемые праймеры –олигонуклеотиды, комплементарные концам размножаемой ДНК. При нагревании раствора цепи ДНК расходятся. Затем, при охлаждении, с ними связываются праймеры, образуя короткие фрагменты спиральных структур. Фермент присоединяет к праймерам нуклеотиды и собирает цепочку, комплементарную цепочке исходной ДНК. В результате реакции из одной двухцепочечной ДНК получается две.
Изобретение ПЦР и разработка методов химического синтеза ДНК позволили создать потрясающую технологию молекулярной селекции. Принцип молекулярной селекции тоже прост: сначала синтезируется множество молекул, обладающих разными свойствами (так называемая молекулярная библиотека), а затем из этой смеси отбираются молекулы с желаемым свойством.
Библиотеки нуклеиновых кислот – это смеси молекул, имеющих одинаковую длину, но отличающиеся последовательностью нуклеотидов. Так как в зависимости от состава нуклеиновые кислоты сворачиваются в разные пространственные структуры, синтез статистических последовательностей дает огромное множество молекул, различающихся по свойствам. С образовавшихся ДНК – с помощью фермента РНК-полимеразы – считывается РНК. В результате получается библиотека уже одноцепочечных РНК. Далее производится процедура отбора: раствор РНК пропускается через колонку, в которой находится нерастворимый носитель с химически присоединенными молекулами-мишенями, чтобы «выловить» так называемый будущий аптамер, т. е. вещество, способное связывать определенные молекулы. Затем колонку промывают для удаления несвязавшихся РНК, и удаляют РНК, задержавшиеся на колонке за счет связывания с целевыми молекулами (это можно сделать, например, нагревая колонку).
С выделенных РНК делают ДНК-копии и получают из них обычные двуцепочеченые молекулы ДНК. С последних же можно считывать искомые РНК-аптамеры, а затем – размножать их методом ПЦР в неограниченных количествах.
С помощью такого метода были получены тысячи разных РНК-аптамеров, которые образуют специфические комплексы с различными органическими соединениями и молекулами.
Рассмотренная схема молекулярной селекции может быть применена для получения молекул с любыми свойствами. Например, были получены РНК, способные катализировать реакции синтеза РНК и белков: присоединение азотистых оснований к рибозе, полимеризацию активированных нуклеотидов на цепочках РНК, присоединение аминокислот к РНК. Эти исследования еще раз подтвердили, что в условиях предбиологической эволюции из случайных полимеров могли возникать молекулы РНК со специфическими структурами и функциями .
Мир РНК как предшественник современной жизни.
Согласно представлениям, сформировавшимся в 50–60 годы XX века, функции двух важнейших биополимеров – нуклеиновых кислот и белков – строго разграничены: за первыми закрепилась роль хранителя генетической информации, а каталитическая функция была приписана исключительно белкам. Значительно более плодотворной оказалась идея, высказанная К.Р. Вузом и несколько позже Л. Оргелем и окончательно сформулированная В. Гилбертом уже в 80-е годы. Согласно этой идее наличие каталитических функций у полинуклеотидов могло привести к формированию своеобразного «мира РНК» как основы эволюции первичной биосферы .
В начале 80-х годов прошлого века, в лабораториях Т. Чека и С. Олтмана в США было сделано сенсационное открытие, осуществившее революцию в биохимии и молекулярной биологии: было показано, что РНК может быть специфическим катализатором биохимических реакций. В течение всей предшествующей истории биохимии на протяжении десятилетий утверждалось, что биохимический катализ – «прерогатива» исключительно белков-ферментов. Поэтому и все теории происхождения жизни вынуждены были исходить из первичности белков как макромолекул, абсолютно необходимых для возникновения биохимического метаболизма (обмена веществ). Открытие каталитической функции РНК перевернуло все прежние представления об исключительной роли белков не только в возникновении жизни, но и в понимании самого явления жизни.
По аналогии с белками-ферментами – энзимами – каталитические РНК были названы рибозимами. По-видимому, почти все рибозимы, естественно существующие в живой природе в клетках современных организмов, так или иначе участвуют в процессах, связанных с превращениями полинуклеотидных цепей самих РНК.
Эти результаты не замедлили сказаться на теории происхождения жизни: «фаворитом» стала молекула РНК. В самом деле, была обнаружена молекула, способная нести генетическую информацию и вдобавок к этому катализировать химические реакции! Более подходящего кандидата для зарождения доклеточной жизни трудно было представить .
Итак, почему именно РНК, а не ДНК, могла представлять собой первичный генетический материал?
Во-первых, и в химическом синтезе, и в биохимических реакциях рибонуклеотиды предшествуют дезоксирибонуклеотидам; дезоксирибонуклеотиды – продукты модификации рибонуклеотидов (см. рис. 2).
Во-вторых, в самых древних, универсальных процессах жизненного метаболизма широко представлены именно рибонуклеотиды, а не дезоксирибонуклеотиды, включая основные энергетические носители типа рибонуклеозид-полифосфатов (АТФ и т.п.).
В-третьих, репликация РНК может происходить без какого бы то ни было участия ДНК, а механизм редупликации ДНК даже в современном живом мире требует обязательного участия РНК-затравки в инициации синтеза цепи ДНК.
В-четвертых, обладая всеми теми же матричными и генетическими функциями, что и ДНК, РНК способна также к выполнению ряда функций, присущих белкам, включая катализ химических реакций. Таким образом, имеются все основания рассматривать ДНК как более позднее эволюционное приобретение – как модификацию РНК, специализированную для выполнения функции воспроизведения и хранения уникальных копий генов в составе клеточного генома без непосредственного участия в биосинтезе белков.
Возможная схема возникновения мира РНК представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схематическое представление пути происхождения жизни согласно современной концепции первичности мира РНК
Абиогенный синтез рибонуклеотидов и их ковалентное объединение в олигомеры и полимеры типа РНК могли происходить приблизительно в тех же условиях и в той же химической обстановке, что постулировались для образования аминокислот и полипептидов. Недавно А.Б. Четверин с сотрудниками (Институт белка РАН) экспериментально показали, что по крайней мере некоторые полирибонуклеотиды (РНК) в обычной водной среде способны к спонтанной рекомбинации, то есть обмену отрезками цепи, путем трансэстерификации. Обмен коротких отрезков цепи на длинные, должен приводить к удлинению полирибонуклеотидов (РНК), а сама подобная рекомбинация способствовать структурному многообразию этих молекул. Среди них могли возникать и каталитически активные молекулы РНК.
Даже крайне редкое появление единичных молекул РНК, которые были способны катализировать полимеризацию рибонуклеотидов или соединение (сплайсинг) олигонуклеотидов на комплементарной цепи как на матрице, означало становление механизма репликации РНК. Репликация самих РНК-катализаторов (рибозимов) должна была повлечь за собой возникновение самореплицирующихся популяций РНК. Продуцируя свои копии, РНК размножались. Неизбежные ошибки в копировании (мутации) и рекомбинации в самореплицирующихся популяциях РНК создавали все большее разнообразие этого мира. Таким образом, предполагаемый древний мир РНК – это «самодостаточный биологический мир, в котором молекулы РНК функционировали и как генетический материал, и как энзимоподобные катализаторы» .
Возникновение биосинтеза белка.
Далее на основе мира РНК должно было происходить становление механизмов биосинтеза белка, появление разнообразных белков с наследуемой структурой и свойствами, компартментализация систем биосинтеза белка и белковых наборов, возможно, в форме коацерватов (праорганизмов) и эволюция последних в клеточные структуры – живые клетки (см. рис. 1).
Проблема перехода от древнего мира РНК к современному белок-синтезирующему миру – наиболее трудная даже для чисто теоретического решения. Возможность абиогенного синтеза полипептидов и белковоподобных веществ не помогает в решении проблемы, так как не просматривается никакого конкретного пути, как этот синтез мог бы быть сопряжен с РНК и подпасть под генетический контроль. Генетически контролируемый синтез полипептидов и белков должен был развиваться независимо от первичного абиогенного синтеза, своим путем, на базе уже существовавшего мира РНК. В литературе предложено несколько гипотез происхождения современного механизма биосинтеза белка в мире РНК, но, пожалуй, ни одна из них не может рассматриваться как детально продуманная и безупречная с точки зрения физико-химических возможностей. Представлю свою версию процесса эволюции и специализации РНК, ведущего к возникновению аппарата биосинтеза белка (рис. 2), но и она не претендует на законченность.
Предлагаемая гипотетическая схема содержит два существенных момента, кажущихся принципиальными.
В
о-первых, постулируется, что абиогенно синтезируемые олигорибонуклеотиды активно рекомбинировали посредством механизма спонтанной неэнзиматической трансэстерификации, приводя к образованию удлиненных цепей РНК и давая начало их многообразию. Именно этим путем в популяции олигонуклеотидов и полинуклеотидов и могли появиться как каталитически активные виды РНК (рибозимы), так и другие виды РНК Рис. 2. Схема эволюции и специализации молекул РНК в процессе перехода от древнего мира РНК к современному миру генетически детерминированного биосинтеза белков
со специализированными функциями (см. рис. 2). Более того, неэнзиматическая рекомбинация олигонуклеотидов, комплементарно связывающихся с полинуклеотидной матрицей, могла обеспечить сшивание (сплайсинг) фрагментов, комплементарных этой матрице, в единую цепь. Именно таким способом, а не катализируемой полимеризацией мононуклеотидов, могло осуществляться первичные копирование (размножение) РНК. Разумеется, если появлялись рибозимы, обладавшие полимеразной активностью, то эффективность (точность, скорость и продуктивность) копирования на комплементарной матрице должна была значительно возрастать.
Второй принципиальный момент в моей версии состоит в том, что первичный аппарат биосинтеза белка возник на базе нескольких видов специализированных РНК до появления аппарата энзиматической (полимеразной) репликации генетического материала – РНК и ДНК. Этот первичный аппарат включал каталитически активную прорибосомную РНК, обладавшую пептидил-трансферазной активностью; набор про-тРНК, специфически связывающих аминокислоты или короткие пептиды; другую прорибосомную РНК, способную взаимодействовать одновременно с каталитической прорибосомной РНК, про-мРНК и про-тРНК (см. рис. 2). Такая система уже могла синтезировать полипептидные цепи за счет катализируемой ею реакции транспептидации. Среди прочих каталитически активных белков – первичных ферментов (энзимов) – появились и белки, катализирующие полимеризацию нуклеотидов – репликазы, или НК-полимеразы.
Впрочем, возможно, что гипотеза о древнем мире РНК как предшественнике современного живого мира так и не сможет получить достаточного обоснования для преодоления основной трудности - научно правдоподобного описания механизма перехода от РНК и ее репликации к биосинтезу белка. Имеется привлекательная и детально продуманная альтернативная гипотеза А.Д. Альтштейна (Институт биологии гена РАН), в которой постулируется, что репликация генетического материала и его трансляция – синтез белка – возникали и эволюционировали одновременно и сопряженно, начиная с взаимодействия абиогенно синтезирующихся олигонуклеотидов и аминоацил-нуклеотидилатов – смешанных ангидридов аминокислот и нуклеотидов .
Заключение
Как видим, теория РНК-мира пока полна противоречий и неясностей. Однако, учитывая все сложности на пути синтеза олигонуклеотидов можно понять Фреда Хойла, известного британского астрофизика и писателя, утверждавшего, что теория РНК-мира «столь же нелепа, как и предположение о возможности сборки «Боинга 747» ураганом, пронесшимся над мусорной свалкой».
В довершение всех проблем сторонников этой теории повергли в уныние свидетельства археологов и палеонтологов, обнаруживших остатки первых примитивных клеток в слоях, относящихся к периодам от 3,5 до 3,8 млрд лет тому назад. В то же время, считают, что жизнь не могла зародиться раньше, чем 4 млрд лет назад, так как до того времени Земля интенсивно «обстреливалась» метеоритами и кометами. По более радикальным данным, «обстрел» закончился еще позже – как раз около 3,8 млрд лет назад. Таким образом, времени для развития доклеточного мира практически не оставалось.
Чтобы как-то разрешить все противоречия, многие ученые начинают склоняться к идее, что вместо относительно сложных азотистых оснований, присущих современным нуклеиновым кислотам, их предшественницы могли использовать слегка измененные варианты молекул, более склонные к реакциям нематричного синтеза. Некоторые из них, например аминогуанозин, способны без помощи ферментов объединяться в цепочки длиной до 20 нуклеотидов, что недостижимо при использовании обычного гуанозина. Более того, прототипы современных азотистых оснований могли быть и вовсе не циклическими молекулами, что упростило бы их синтез, взаимодействие с рибозой, а также, возможно, снизило бы их способность к угнетению первых появившихся «проторибозимов».
Существуют также экспериментальные данные о том, что древние проторибозимы могли состоять не из четырех, а всего из двух типов нуклеотидов, что значительно повысило бы вероятность их спонтанного образования и, следовательно, сократило бы время, необходимое для перехода доклеточного мира в клеточный.
Несмотря на высокую популярность идеи РНК-мира, сторонники белковой теории также не сдают свои позиции. Модифицировав представления Опарина, они утверждают, что короткие цепи из аминокислот (олигопептиды) могли синтезироваться с помощью РНК уже на ранних этапах РНК-мира. При этом такие олигопептиды могли принимать участие в катализе или защите и концентрировании первых рибозимов (например, путем упаковки их внутрь коацерватов). На практике было также показано, что пептидная цепь может служить заменителем сахарофосфатного остова в нуклеиновых кислотах. Подобные гипотезы намечают возможный способ перехода от мира РНК к миру белков и далее, к протоклеточной эволюции.
Еще одна интересная и перспективная гипотеза состоит в том, что жизнь зарождалась вблизи выбросов горячих вулканических вод, где из-за температуры и наличия больших концентраций биогенных молекул реакции образования биомолекул могли происходить с более высокой скоростью.
Кроме того, большие перепады температуры могли облегчать процессы матричного синтеза нуклеиновых кислот. Высокие температуры способствовали распаду двухнитчатых нуклеиновых кислот на однонитчатые, на которых при понижении температуры мог происходить следующий цикл синтеза. Такой сценарий напоминает разработанную в середине 80-х годов прошлого века технологию многократного копирования нуклеиновых кислот, названную полимеразной цепной реакцией (ПЦР). Возможно, человек просто повторил то, что Природа изобрела миллиарды лет назад?
Сейчас господствующей остается гипотеза более позднего возникновения ДНК, которая вытеснила РНК, зарекомендовав себя более надежным хранилищем генетической информации. Однако самые последние исследования показывают, что однонитчатая ДНК может служить даже лучшим ферментом, чем РНК. При этом, как мы уже знаем, ДНК гораздо более устойчива во внешней среде, что дает ей немалое преимущество. Кто знает, может быть, через несколько витков двойной спирали истории ДНК-мир, отвергнутый после открытия рибозимов, вновь отвоюет свои позиции.
По мере накопления знаний и развития методов исследования современные гипотезы и теории будут сменяться более правдоподобными и обоснованными. Однако на данном этапе развития науки кажется маловероятным, чтобы человечество смогло когда-либо окончательно разрешить эту тайну тайн .
Список использованной литературы
А.В. Власов, В.В. Власов. Жизнь начиналась с РНК // Наука из первых рук – 2004. – Том 3, № 2. – с. 6-19
А.С. Спирин. Биосинтез белков, мир РНК и происхождение жизни // Вестник Российской Академии наук. – 2001. – Том 71, №4. – с. 320-328
А.С. Спирин. Рибонуклеиновые кислоты как центральное звено живой материи // Вестник Российской Академии наук. – 2003. – Том 73, № 2. – с. 117-127
М.С. Крицкий, Т.А. Телегина. Коферменты и эволюция мира РНК // Успехи биологической химии. – 2004. – т. 44. – с. 341-364
С. Григорович. Вначале была РНК? В поисках молекулы первожизни // Наука и жизнь. – 2004. – №2
Читая между строк ДНК [Второй код нашей жизни, или Книга, которую нужно прочитать всем] Шпорк Петер
Мир РНК
Когда Ханс Йорнваль, секретарь стокгольмского Нобелевского комитета, 2 октября 2006 года объявил новых лауреатов этой премии по медицине, по залу прокатился ропот. Такого решения ожидали немногие зрители: лауреатами оказались двое активных ученых лет по сорок с небольшим, чьи важнейшие публикации появились за восемь лет до того. Обычно награждают более заслуженных специалистов.
Тем не менее, по мнению большинства коллег, американцы Эндрю Файер из Стэнфордского университета (Калифорния) и Крейг Мелло из Медицинской школы Массачусетского университета получили высшее признание в своей области совершенно заслуженно. Все-таки они открыли абсолютно неизвестный до этого метод контроля активности генов - так называемую РНК-интерференцию.
РНК - сокращенное название рибонуклеиновой кислоты. Так называется младшая и чрезвычайно разносторонняя сестра ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Молекулы РНК по химической структуре почти не отличаются от ДНК, но состоят из значительно более коротких цепочек нуклеотидов и менее устойчивы к изменениям. Они выполняли роль наследственного материала первых живых организмов на Земле, а простые вирусы по-прежнему используют их в этих целях.
Все виды РНК в основном имеют четко разграниченные функции и чрезвычайно важны для биохимии клетки. В отличие от ДНК они могут состоять не из двух цепочек с попарно связанными основаниями, но из одной нити с открытыми основаниями, а порой имеют форму петли. Ввиду многообразия молекул РНК биологи благоговейно говорят о целом мире РНК, который исследован еще далеко не полностью. Самые важные представители этого мира - уже упоминавшиеся матричные (информационные) и транспортные РНК. Появились и новые звезды - микро-РНК.
До открытия Файера и Мелло последних считали побочным продуктом, своего рода информационными РНК без информации, которые образуются, когда считывающие белки по ошибке переводят какой-нибудь участок мусорной ДНК в информационную РНК. Сегодня уже известно, что этот процесс происходит не случайно, а соответствующие участки ДНК - вовсе не мусор. Скорее они представляют собой третью важную систему переключателей эпигенетического кода.
Сначала клетка синтезирует две зеркальные нити микро-РНК, которые объединяются в так называемую двухцепочечную РНК. Эти молекулы, напоминающие короткую веревочную лестницу, выглядят точно так же, как наследственный материал вторгшихся в клетку вирусов, стремящихся размножиться с помощью биохимического аппарата инфицированных клеток и таким образом вызвать болезнь. Клетка борется с РНК таким же способом, как и с вирусами: появляется фермент под названием дайсер (гранулятор) и разбивает их на кусочки длиной от 21 до 27 нуклеотидов.
Большинство таких фрагментов уничтожаются клеткой. Но некоторые соединяются с мультибелковым комплексом RISC, который спасает их от уничтожения. Затем эти соединения отправляются на поиски подходящей им матричной РНК. Последняя в значительной степени идентична одной из цепочек исходной микро-РНК, а потому в ней где-то обязательно найдется участок, парный одному из многих получившихся фрагментов. Как только нужная молекула обнаруживается, она приклеивается к соответствующему фрагменту РНК, как бедная муха к липучке. В заключение по-прежнему присоединенный к фрагменту RISC осуществляет быструю расправу - он превращает матричную РНК в кучку нуклеотидного мусора, который мгновенно собирают и перерабатывают пустые транспортные РНК.
Теперь клетка не может синтезировать белок, закодированный в матричной РНК. Соответствующий ген молчит, хотя на уровне ДНК постоянно происходит его считывание.
Но и это еще не все. С помощью своих микро-РНК клетка может не только запустить или остановить синтез того или иного белка, как она это делает при помощи других эпигенетических переключателей. Клетка способна также немного подавить активность гена. Чем больше липучек она выкладывает против конкретной матричной РНК, тем меньше соответствующих ей закодированных молекул достигает цели и тем меньше конкретного белка будет синтезировано.
Крейг Мелло и Эндрю Файер назвали этот механизм генной регуляции РНК-интерференцией, потому что в ходе процесса две отвечающие друг другу молекулы - матричная РНК и микро-РНК - выключают друг друга точно так же, как во время физической интерференции взаимно ослабляются встречные волны. Исследователи выявили этот принцип в результате опыта: они вводили круглым червям двухцепочечные РНК и установили, что после этого синтез определенных белков идет на убыль.
Сначала никто не догадывался о далеко идущих последствиях открытия. Все это, вероятно, «какой-то странный механизм, свойственный только червям», решили сами исследователи. Скорее всего, в нормальной жизни животных он не играет никакой роли, поскольку происходит только в рамках эксперимента. Однако ученые сильно ошибались. Многие специалисты бросились изучать этот эффект и за короткое время выявили множество новых подробностей.
Очевидно, еще в незапамятные времена своего рода праклетка выработала механизм взаимного выключения рибонуклеиновых кислот, чтобы помешать вирусным генам, спасшимся от фермента дайсера и успешно внедренным в ДНК, реализовать свои «монтажные схемы» и вызвать болезнь. Видимо, некоторое время спустя другие клетки пришли к тому, чтобы с помощью микро-РНК регулировать и собственную систему считывания генов.
Одна из основных задач РНК-интерференции заключается в отключении транспозонов. Это те самые заново собранные, чрезвычайно подвижные гены и их фрагменты, которые активируются только в случае экстремального ухудшения внешней среды, чтобы помочь эволюции выкрутиться из этой ситуации.
«На сегодняшний день точно определены около трехсот пятидесяти микро-РНК, вероятно, окончательное число окажется в диапазоне от пятисот до тысячи», - заявил в интервью журналу «Спектрум дер виссеншафт» («Спектр науки») немецкий биохимик Томас Тушль из Рокфеллеровского университета (Нью-Йорк), один из ведущих исследователей РНК-интерференции в мире. Помимо прочего Тушль обнаружил, что выключатели из рибонуклеиновой кислоты есть и в человеческих клетках.
РНК-интерференция . Геном содержит не только гены, но и коды для микро-РНК. С помощью ферментов они разрушают соответствующие им матричные РНК и таким образом блокируют перевод гена в белок.
Сегодня уже известно, что принцип РНК-интерференции работает практически во всех живых организмах. А самые последние результаты свидетельствуют, что мир РНК куда важнее и разнообразнее, чем предполагалось. Выяснилось, что малые РНК служат также следопытами, указывая белкам вокруг ДНК те места, которые следует надежно блокировать или перепрограммировать. «Есть основания полагать, что РНК могут выполнять функцию якоря для различных белков, присоединяющих к хроматину метильные или ацетильные группы или снова удаляющих их», - разъясняет швейцарский эпигенетик Ренато Паро.
Происходит следующее: некоторые фрагменты микро-РНК попадают обратно в клеточное ядро и становятся великими устроителями эпигенома. Отрезки РНК уверенно и точно присоединяются к определенным участкам ДНК, прежде всего к своим зеркальным копиям. Причем эти удальцы тянут за собой на буксире специальные белки, побуждающие наследственное вещество, например, свернуться в клубок - деактивированный, плотно упакованный гетерохроматин. Таким образом они могут на долгое время отключать целые участки ДНК.
Томас Тушль считает, что микро-РНК способны и на большее. Вероятно, они - «важный фактор возникновения различных заболеваний». «Перспективная цель» его собственного исследования - «изобразить карту микро-РНК во всем геноме, для всех здоровых и больных тканей, и определить их функции».
В системе РНК-интерференции Тушля особенно вдохновляет то, что, наряду с метилированием ДНК и гистоновым кодом, обнаружен третий путь воздействия внешних факторов на активность генов. «Возникает вопрос, нельзя ли объяснить большую часть генетических заболеваний через процесс регуляции и можно ли как-то управлять ими, - говорит ученый. Звучит сложно, но исследователь поясняет на примере: - Гипотеза такова: возможно, чтобы добиться небольшого, но действенного изменения модели активации гена против депрессии, достаточно регулярно заниматься спортом, стабилизируя уровень дофамина, ведь это вещество - важный фактор в лечении депрессии».
Этот пример возвращает нас к главному посылу науки о втором коде: тот, кто начинает жить по-новому, меняет свой обмен веществ и гормональную систему. А эти перемены оказывают долговременное воздействие на модели метилирования, модификации гистонов и микро-РНК, что, в свою очередь, может благотворно повлиять на тело и психику. Кстати, тот факт, что физическая активность часто уменьшает депрессии, уже доказан во многих научных работах. Эпигенетика позволяет объяснить подобные положительные эффекты, наступающие в результате изменения образа жизни.
Чтобы лучше понять, о компонентах каких именно процессов идет речь в статье, посмотрите этот небольшой ролик. На слова о "разумном замысле" лучше не обращать внимания.
Мир РНК — гипотетический этап возникновения жизни на Земле, когда как функцию хранения генетической информации, так и катализ химических реакций выполняли ансамбли молекул рибонуклеиновых кислот. Впоследствии из их ассоциаций возникла современная ДНК-РНК-белковая жизнь, обособленная мембраной от внешней среды. Идея мира РНК была впервые высказана Карлом Вёзе в 1968 году, позже развита Лесли Оргелом и окончательно сформулирована Уолтером Гильбертом в 1986 году.
То обстоятельство, что РНК может содержать наследственную информацию, позволило Уолтеру Гилберту выдвинуть предположение, что в древности РНК использовалась как в качестве генетического материала, так и в качестве катализаторов и структурных компонентов клетки, а впоследствии эти роли были перераспределены между ДНК и белками. Эта гипотеза сейчас известна как Гипотеза мира РНК.
Если РНК были первыми молекулярными машинами, использовавшимися в ранних живых клетках, то рибозимы, существующие сегодня (например, аппарат рибосомы), могут считаться живыми ископаемыми — образцами живых существ, состоящих из нуклеиновых кислот.
Краткое изложение
В живых организмах практически все процессы происходят в основном благодаря ферментам белковой природы. Белки, однако, не могут самореплицироваться и синтезируются в клетке de novo на основании информации, заложенной в ДНК. Но и удвоение ДНК происходит только благодаря участию белков и РНК. Образуется замкнутый круг, из-за которого, в рамках теории самозарождения жизни приходилось признать необходимость не только абиогенного синтеза обоих классов молекул, но и спонтанного возникновения сложной системы их взаимосвязи.
В начале 1980-х годов в лаборатории Т.Чека и С.Олтмана в США была открыта каталитическая способность РНК. По аналогии с ферментами (англ. enzyme) РНК-катализаторы были названы рибозимами, за их открытие Томасу Чеку в 1989 году была присуждена Нобелевская премия по химии. Более того, оказалось, что активный центр рибосом содержит большое количество рРНК. Также РНК способны создавать двойную цепочку и самореплицироваться.
Таким образом, РНК могли существовать полностью автономно, катализируя «метаболические» реакции, например, синтеза новых рибонуклеотидов и самовоспроизводясь, сохраняя из «поколения» в «поколение» каталитические свойства. Накопление случайных мутаций привело к появлению РНК, катализирующих синтез определённых белков, являющихся более эффективным катализатором, в связи с чем эти мутации закреплялись в ходе естественного отбора. С другой стороны возникли специализированные хранилища генетической информации — ДНК. РНК сохранилась между ними как посредник.
Роль РНК в современном мире
Следы мира РНК остались в современных живых клетках, причём РНК участвует в критически важных процессах жизнедеятельности клетки:
- Основной носитель энергии в клетках — АТФ — это рибонуклеотид, а не дезоксирибонуклеотид.
- Биосинтез белка почти целиком осуществляется с помощью различных видов РНК:
Матричные РНК являются матрицей для синтеза белка в рибосомах;
- транспортные РНК доставляют аминокислоты к рибосомам и реализуют генетический код;
- рибосомная РНК составляет активный центр рибосом, катализирующий образование пептидной связи между аминокислотами.
- Для репликации ДНК также критически важна РНК:
Для начала процесса удвоения ДНК необходима РНК-«затравка» (праймер);
- для бесконечного удвоения ДНК, не ограниченного пределом Хейфлика, в эукариотических клетках производится постоянное восстановление концевых участков хромосом (теломер) ферментом теломеразой, в состав которого входит РНК-матрица.
- В процессе обратной транскрипции информация из РНК переписывается в ДНК.
- В процессе созревания РНК используются различные РНК, не кодирующие белки, включая малые ядерные РНК, малые ядрышковые РНК.
Кроме того, многие вирусы хранят свой генетический материал в виде РНК и поставляют в заражённую клетку РНК-зависимую РНК-полимеразу для его репликации.
Абиогенный синтез РНК
Синтез РНК из более простых соединений не продемонстрирован экспериментально в полной мере. В 1975 году Манфред Сампер и Рудигер Льюс в лаборатории Эйгена продемонстрировали, что в смеси, вообще не содержащей РНК, а содержащей только нуклеотиды и Qβ-репликазу, может при определённых условиях спонтанно возникнуть самореплицирующаяся РНК.
В 2009 году группе учёных из университета Манчестера под руководством Джона Сазерленда удалось продемонстрировать возможность синтеза уридина и цитидина с высокой эффективностью и степенью закрепления результата реакции (а также с возможностью накопления конечных продуктов) в условиях ранней Земли. В то же время, хотя абиогенный синтез пуриновых оснований продемонстрирован достаточно давно (в частности, аденин является пентамером синильной кислоты), их гликозилирование свободной рибозой аденозина и гуанозина пока показано лишь в малоэффективном варианте.
Эволюция РНК
Способность молекул РНК к эволюции была наглядно продемонстрирована в ряде экспериментов. Ещё до открытия каталитической активности РНК такие эксперименты проводили Лесли Оргел с коллегами в Калифорнии. Они добавляли к пробирке с РНК яд – бромид этидия, ингибирующий синтез РНК. Сначала темп синтеза был замедлен ядом, но примерно после девяти «пробирочных поколений» эволюции в процессе естественного отбора вывелась новая порода РНК, стойкая к яду. Путём последовательного удвоения доз яда была выведена порода РНК, стойкая к очень высоким его концентрациям. Всего в эксперименте сменилось 100 пробирочных поколений (и намного больше поколений РНК, т.к. поколения сменялись и внутри каждой пробирки). Хотя в этом эксперименте РНК-репликаза добавлялась в раствор самими экспериментаторами, Оргел обнаружил, что РНК способны и к спонтанному самокопированию, без добавления фермента, правда, намного медленнее.
Дополнительный эксперимент был позже проведён в лаборатории немецкой школы Манфреда Ейгена. Он обнаружил спонтанное самозарождение молекулы РНК в пробирке с субстратом и РНК-репликазой. Она была создана постепенно нарастающей эволюцией.
После открытия каталитической активности РНК (рибозимов) их эволюция в автоматизированном устройстве под управлением компьютера наблюдалась в экспериментах Брайана Пегеля и Джеральда Джойса из Исследовательского института имени Скриппса в Калифорнии в 2008 году. Фактором, играющим роль давления отбора, являлась ограниченность субстрата, куда входили олигонуклеотиды, которые рибозим распознавал и присоединял к себе, и нуклеотиды для синтеза РНК и ДНК. При построении копий иногда случались дефекты — мутации — влияющие на их каталитическую активность (для ускорения процесса несколько раз смесь подвергалась мутированию с помощью полимеразной цепной реакции с использованием "неточных" полимераз). По этому признаку и происходил отбор молекул: наиболее быстро копирующиеся молекулы быстро начинали доминировать в среде. Затем 90% смеси удалялось, а вместо этого добавлялась свежая смесь с субстратом и ферментами, и цикл повторялся снова. За 3 суток каталитическая активность молекул за счёт всего 11 мутаций увеличилась в 90 раз.
Эти эксперименты доказывают, что первым молекулам РНК не нужно было обладать достаточно хорошими каталитическими свойствами. Они развились потом в ходе эволюции под действием естественного отбора.
В 2009 году канадские биохимики из Монреальского университета К. Боков и С. Штейнберг, изучив основную составляющую рибосомы бактерии Escherichia coli, молекулу 23S-рРНК, показали, каким образом из относительно небольших и простых рибозимов мог развиться механизм белкового синтеза. Молекула была подразделена на 60 относительно самостоятельных структурных блоков, основным из которых является каталитический центр (пептидил-трансферазный центр, PTC, peptidyl-transferase centre), ответственный за транспептидацию (образование пептидной связи). Было показано, что все эти блоки можно последовательно отсоединять от молекулы без разрушения её оставшейся части до тех пор, пока не останется один лишь транспептидационный центр. При этом он сохраняет способность катализировать транспептидацию. Если каждую связь между блоками молекулы представить в виде стрелки, направленной от того блока, который при отрыве не разрушается, к тому блоку, который разрушается, то такие стрелки не образуют ни одного замкнутого кольца. Если бы направление связей было случайным, вероятность этого составляла бы менее одной миллиардной. Следовательно, такой характер связей отражает последовательность постепенного добавления блоков в процессе эволюции молекулы, который исследователям удалось детально реконструировать. Таким образом, у истоков жизни мог стоять сравнительно простой рибозим — PTC-центр молекулы 23S-рРНК, к которому затем добавлялись новые блоки, совершенствуя процесс синтеза белка. Сам PTC состоит из двух симметричных лопастей, каждая из которых удерживает CCA"-хвостик одной молекулы тРНК. Предполагается, что такая структура возникла в результате дупликации (удвоения) одной исходной лопасти. Методом искусственной эволюции были получены функциональные РНК (рибозимы), способные катализировать транспептидацию. Структура этих искусственно выведенных рибозимов очень близка к структуре той проторибосомы, которую «вычислили» авторы.
Свойства объектов мира РНК
О том, как выглядели самовоспроизводящиеся РНК системы, есть разные предположения. Чаще всего постулируется необходимость агрегирующих РНК мембран или размещения РНК на поверхности минералов и в поровом пространстве рыхлых пород. В 1990-е годы А. Б. Четвериным с сотрудниками была показана способность РНК формировать молекулярные колонии на гелях и твёрдых субстратах при создании им условий для репликации. Происходил свободный обмен молекулами, которые при столкновении могли обмениваться участками, что показано экспериментально. Вся совокупность колоний в связи с этим быстро эволюционировала.
После возникновения белкового синтеза колонии, умеющие создавать ферменты, развивались успешнее. Ещё более успешными стали колонии, сформировавшие более надёжный механизм хранения информации в ДНК и, наконец, отделившиеся от внешнего мира липидной мембраной, препятствующей рассеиванию своих молекул.
Пре-РНК миры
Биохимик Р. Шапиро критикует гипотезу РНК-мира, считая, что вероятность спонтанного возникновения РНК, обладающей каталитическими свойствами, очень низка. Взамен гипотезы «вначале была РНК», он предлагает гипотезу «вначале был метаболизм», то есть возникновение комплексов химических реакций — аналогов метаболических циклов — с участием низкомолекулярных соединений, протекающих внутри компартментов — пространственно ограниченных самопроизвольно образовавшимися мембранами или иными границами раздела фаз — областей. Эта концепция близка к коацерватной гипотезе абиогенеза, предложенной А. И. Опариным в 1924 году.
Другой гипотезой абиогенного синтеза РНК, призванной решить проблему низкой оценочной вероятности синтеза РНК, является гипотеза мира полиароматических углеводородов, предложенная в 2004 году и предполагающая синтез молекул РНК на основе стека из полиароматических колец.
Фактически, обе гипотезы «пре-РНК миров» не отвергают гипотезу мира РНК, а модифицируют её, постулируя первоначальный синтез реплицирующихся макромолекул РНК в первичных метаболических компартментах, либо на поверхности ассоциатов, отодвигая «мир РНК» на вторую стадию абиогенеза.
Академик РАН А.С.Спирин считает, что РНК-мир не мог появиться и существовать на Земле, и рассматривает вариант внеземного (в первую очередь на кометах) происхождения и эволюции РНК-мира.
Мир РНК: вчера и сегодня
Долгое время считали, что рибонуклеиновая кислота (РНК), ближайшая «родственница» знаменитой ДНК, выполняет в организме служебные функции, являясь лишь посредником в сложнейших внутриклеточных процессах. И хотя признавалось, что на ранних этапах эволюции жизни РНК могла играть главенствующую роль, но казалось очевидным, что она давно уступила первенство более специализированным молекулам – катализаторам и носителям информации. Однако открытие множества регуляторных РНК, связанных с феноменом некодирующего «темнового генома», буквально перевернуло представления о современном «мире РНК» и послужило толчком к поиску и созданию новых диагностических и лекарственных средств
Классический взгляд на процесс реализации наследственной информации в живой клетке сформировался еще в начале второй половины XX в. Согласно нему, вся наследственная информация, определяющая жизнь организма, закодирована в виде последовательности нуклеотидов в особом биополимере – дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК). «Размножение» и передача этой информации происходит путем удвоения молекул ДНК с участием специальных белков-ферментов.
Когда участок ДНК, в котором содержится информация о строении того или иного белка, – ген – начинает «работать», с него с помощью специальных ферментов считывается «промежуточная» информация в виде молекул рибонуклеиновой кислоты (РНК). Нуклеотидная последовательность этой РНК служит «программой»-матрицей для особых молекулярных машин – рибосом , которые приступают к синтезу соответствующего белка
В этой схеме преобразования генетического кода в конечный «полезный продукт» центральным элементом является ДНК. Была даже сформулирована «центральная догма молекулярной биологии», гласившая, что поток информации в живой клетке идет по направлению от ДНК к РНК и далее к белку, и только в этом направлении: синтезировать ДНК или РНК, соответствующую определенному белку, клетка не умеет. Неудивительно, что увлекательная книга молекулярного биолога М. Д. Франк-Каменецкого «Самая главная молекула», вышедшая в 1983 г., была посвящена именно ДНК.
Важная роль отводилась также белкам, как главным строительным «кирпичикам» и, в первую очередь, катализаторам, способным в условиях живой клетки опосредовать самые разные биохимические реакции и процессы. РНК же представлялась скорее «рабочей» молекулой, расходным материалом белкового синтеза. Конечно, помимо матричной РНК были известны и транспортные РНК, переносящие аминокислоты на рибосомы, а также РНК в составе рибосомного каркаса, однако и им отводилась роль скромных «золушек».
Со временем стали накапливаться наблюдения, которые заставляли задуматься: а так ли просто все устроено в геноме? К примеру, оказалось, что у некоторых вирусов наследственная информация зашифрована не в ДНК, а в РНК, и они способны синтезировать ДНК по «матрице» РНК при встраивании своего генетического материала в геном клетки-хозяина. Однако несмотря на отдельные противоречия, взгляды на природу и роль важнейших биополимеров, вошедшие во все школьные учебники, десятилетиями оставались незыблемыми.
Между тем, невзирая на трудности экспериментов с РНК, молекулы которой менее стабильны, чем ДНК и белков, исследователи продолжали упорно изучать эти «немодные» биополимеры. И в конце XX в. классические научные представления начали рушиться под напором новых поразительных открытий.
Жизнь начиналась с РНК
После расшифровки генома человека и других высокоорганизованных животных оказалось, что большая часть ДНК не содержит генов, кодирующих белки. (К слову, когда сравнили геномы различных млекопитающих, оказалось, что по набору генов «царь природы» немногим отличается от той же мыши.) В геноме человека длиной около трех миллиардов пар нуклеотидов ожидали обнаружить более 100 тыс. генов, но их оказалось по крайней мере в три раза меньше! Причем в это число входят все гены, кодирующие белки, а также гены рибосомных и транспортных РНК. Вместе с известными на то время регуляторными последовательностями все эти гены занимают не более 1,5 % геномной ДНК. А что же остальная часть?
С полным пренебрежением к непонятному такую некодирующую ДНК – так называемый темновой геном – стали считать «мусором», накопившимся в процессе эволюции. И хотя впоследствии было обнаружено, что с участков «мусорной» ДНК все же считывается какая-то информация и синтезируется огромное количество РНК, это явление было оценено как «транскрипционный шум».
Самым удивительным открытием стал тот факт, что белки не являются монополистами в умении катализировать биологические реакции. Так, в ядре клетки обнаружился набор небольших РНК, которые при участии белков обеспечивают процесс созревания матричной РНК. Дело в том, что с гена считывается длинная РНК, которую необходимо нарезать на фрагменты и затем определенным образом «сшить», чтобы получилась нужная программа. Правильность этой «сшивки» и обеспечивают специальные РНК.
Был открыт и каталитически активный РНК-белковый комплекс теломераза , благодаря которому происходит синтез концевых участков хромосом. Оказалось, что в рибосоме РНК также выполняет не только структурную роль – из нее построен сам каталитический центр! Таким образом, все ключевые функции в процессе белкового синтеза принадлежат молекулам РНК.
Выяснилось, что РНК, подобно белкам, могут формировать компактные структуры, способные к высокоспецифичному взаимодействию практически с любыми маленькими и большими молекулами. РНК-катализаторы были найдены в природе, их используют как вирусы, так и клетки высших организмов. А вскоре самые различные каталитические РНК научились получать искусственным путем.
Факты упрямо указывали на первенство РНК как биологической молекулы. Да, ДНК является стабильным хранителем информации, но не может функционировать без помощи белков. Белки – эффективные катализаторы, но на роль носителей информации принципиально не годятся. А вот РНК оказалась именно такой универсальной, многофункциональной молекулой, какой и должна быть «прародительница».
Стало ясно, что именно из простых РНК-содержащих систем произошел современный биологический мир. Но куда же делся этот «мир РНК», когда на смену пришли более специализированные молекулы? Не являются ли сегодня РНК своего рода «молекулярными окаменелостями», имеющими хотя и важное, но ограниченное значение? Еще совсем недавно ответ на эти вопросы сомнений не вызывал.
Тридцать лет спустя
В 1997 г. в Германии состоялась конференция, посвященная исследованиям РНК. Ей предстояло подвести итог масштабной программы исследований РНК: все, что касалось этих биополимеров, представлялось на тот момент ясным и понятным. В этой атмосфере настоящим «взрывом бомбы» прозвучал доклад об открытии РНК-интерференции
– ранее неизвестного механизма регуляции функционирования генов с помощью специальных малых РНК.
Вообще-то удивительно, что обнаружение этого довольно очевидного механизма потребовало так много времени. Ведь теоретически было давно известно, что остановить работу целевой генетической программы, т. е. «заблокировать» конкретную нуклеиновую кислоту, можно путем присоединения к ней небольшого комплементарного фрагмента РНК или ДНК, достаточного по размеру, чтобы обеспечить избирательность действия.
Именно такой способ избирательного регулирования функций нуклеиновых кислот был впервые предложен еще в 1960-х гг. новосибирским исследователем Н. И. Гриневой и ее коллегами, работавшими под руководством будущего академика РАН Д. Г. Кнорре. Ученые справедливо решили, что лучший способ направленно воздействовать на гены – использовать так называемые антисмысловые олигонуклеотиды, т.е. короткие комплементарные фрагменты ДНК или РНК (Belikova et al. , 1967).
И вот десятилетия спустя было доказано, что этот механизм направленного воздействия на генетический материал функционирует в живых системах при регуляции экспрессии генов. Это тот редкий случай в истории науки, когда явление сначала было описано теоретически, затем его схема реализована в эксперименте и лишь десятилетия спустя оно обнаружено в природе.
Забегая вперед, нужно отметить, что своими работами сибирские ученые открыли новое направление прикладной молекулярной биологии, которое сегодня бурно развивается во всем мире. Уже получены первые фармацевтические препараты на основе интерферирующих микроРНК, а в будущем ожидается создание широчайшего спектра лекарств, в том числе и для избирательной инактивации уже самих микроРНК (такие ингибиторы даже получили специальное название – «анти-мир») и других некодирующих РНК.
На той же конференции 1997 г. было заявлено об обнаружении в клетках мозга и других органов множества разнообразных некодирующих РНК, концентрации которых меняются в зависимости от состояния организма. Стало очевидно, что речь должна идти не о свертывании, а о расширении дальнейших исследований РНК.
Сокровища «мусорной» ДНК
Очень скоро были получены данные о чрезвычайно широком распространении РНК-интерференции в природе и начаты работы по практическому использованию интерферирующих РНК для создания терапевтических препаратов и генетически модифицированных организмов.
Более того, было показано, что в организме синтезируется огромное число – тысячи видов – некодирующих РНК, информация о которых содержалась в той самой якобы ненужной «мусорной ДНК». Были обнаружены микроРНК-регуляторы активности генов, макроРНК, выполняющие различные регуляторные функции, а также множество других РНК с пока неизвестными функциями. Удивительно, что многие РНК находятся не только в клетках тканей, но и в крови, и способны «путешествовать» по организму.
Длинные некодирующие РНК пока что относительно мало изучены, и механизм их действия установлен лишь в некоторых случаях. Исследователи склоняются к заключению, что такие РНК играют роль организаторов сложных функциональных структур, включающих различные биомолекулы. Молекула РНК идеально подходит на подобную роль: она может содержать в себе различные модули, которые способны связываться как с конкретными белками, так и с участками ДНК. Такие РНК-модули могут располагаться определенным образом относительно друг друга, благодаря чему появляется возможность создавать супрамолекулярные ансамбли любой степени сложности. Самый наглядный пример такой структуры – рибосома.
Таким образом, именно благодаря РНК создаются основные структуры клетки, делающие ее «живой». Длинные некодирующие РНК управляют также работой генетического аппарата клетки. Они включают и выключают работу целых областей хромосомы, определяя точки специфической модификации хромосомных белков.
С состоянием организма тесно связаны и концентрации разнообразных микроРНК в органах и тканях. Эти РНК, участвуя в регуляции активности огромного числа генов, воздействуют на важнейшие физиологические и метаболические процессы, протекающие в отдельной клетке и в организме в целом.
Например, с помощью определенного набора микроРНК можно изменить степень клеточной дифференциации – получить из специализированных клеток недифференцированные стволовые либо, напротив, управлять дифференциацией стволовых клеток в нужном направлении. Доказано, что с помощью микроРНК регулируется дифференциация клеток жировой ткани, метаболизм липидов, секреция инсулина и других гормонов и т. д.
Судя по последним данным, в сферу «юрисдикции» РНК попадает свыше 60 % всех генов. Фактически, именно микроРНК «руководят» развитием целых органов и организма в целом, запуская одни процессы и останавливая другие по соответствующим «биологическим часам».
В составе специальных транспортных мембранных структур, таких как экзосомы , микроРНК могут передаваться не только между тканями и органами одного организма, но даже между организмами. Например, в молоке матери содержатся экзосомы с микроРНК, которые играют важную роль в становлении иммунной системы ребенка, причем уровень их секреции особенно высок в первые шесть месяцев лактации (Kosaka et al. , 2010).
Неудивительно, что интерес к таким транспортным структурам и составу переносимых ими микро- и других некодирующих РНК сегодня крайне высок, и недавно начатые исследования были подхвачены тысячами ученых из разных стран. Было даже организовано международное общество по внеклеточным везикулам, а в апреле 2012 г. в Швеции состоялась первая конференция по этой тематике, где было объявлено о создании специализированного журнала.
Точки приложения
Итак, некодирующие РНК являются главными регуляторами, управляющими функциями генов и целых генетических ансамблей, при этом число известных некодирующих РНК постоянно растет. На их концентрацию и соотношение влияют и протекающие в организме патологические процессы (например, опухолевые). Отсюда очевидна перспективность применения методов количественного анализа некодирующей РНК для целей медицинской диагностики. А подавление активности РНК, ассоциированной с развитием болезни, должно стать новым подходом в терапии.
Сегодня известно, что с помощью определенных микроРНК можно блокировать развитие рака предстательной и молочной желез (Tavazoie et al. , 2008). МикроРНК рассматриваются и в качестве потенциальных лечебных средств в терапии сердечно-сосудистых заболеваний (Latronico & Condorelli, 2009). Ведутся клинические исследования экзосом, содержащих микроРНК, которые циркулируют в крови при меланомах и различных формах рака легких (Rabinowits et al. , 2009).
Подобные исследования активно ведутся и в Сибирском отделении РАН. Благодаря разработанной в Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН оригинальной методике высокопроизводительного секвенирования РНК появилась возможность быстро и точно получать информацию о профиле микроРНК в различных клинических образцах. Уже опубликованы данные о спектрах микроРНК здоровых людей (Semenov et al. , 2012), ведется работа по определению соответствующих РНК-профилей при различных патологиях.
В ИХБФМ получены и обнадеживающие экспериментальные данные о возможности проведения противоопухолевой и антиметастатической терапии ферментом РНКазой А, который влияет на концентрацию и спектр опухолевых микроРНК в клетках и сыворотке крови больных животных (Mironova et al. , 2012).
Исследованиями микроРНК с целью развития диагностических методов занимаются и в недавно организованном Институте молекулярной и клеточной биологии СО РАН (Новосибирск). Например, там был изучен профиль экспрессии некоторых микроРНК при различных опухолях щитовидной железы.
Детальное изучение свойств РНК подтолкнуло исследователей к созданию новых технологий, обещающих принести огромную пользу человечеству уже в ближайшем будущем. Речь идет о широко известной технологии SELEX, позволяющей получать молекулы РНК с заданными свойствами – аптамеры , которые способны селективно и прочно связываться с молекулой-мишенью. Суть аптамерной технологии в том, что сначала химико-ферментативными методами создаются так называемые РНК-библиотеки случайных последовательностей, содержащие огромное множество разнообразных молекул РНК. Затем из этого множества методами молекулярной селекции по способности специфично взаимодействовать с целевой молекулой отбирают аптамеры и нарабатывают их в нужном количестве, хотя искомая РНК может быть представлена в составе библиотеки единственной молекулой.
Сегодня в качестве аптамеров и терапевтических средств используется не только РНК с обычной «природной» структурой: с помощью различных химических модификаций можно получить молекулы, устойчивые к действию разрушающих РНК ферментов, которых много в биологических средах. Такие «искусственные» РНК имеют большие перспективы в диагностике заболеваний: например, можно получить РНК-аптамеры к молекулам – маркерам заболеваний и на их основе создать биосенсоры, обладающие уникальной чувствительностью.
Сочетание основанных на РНК биоаналитических подходов к диагностике заболеваний с новыми -терапевтическими средствами на основе микроРНК и некодирующих РНК в ближайшем будущем должно привести к новому прорыву в медицине.
С каждым годом исследователи открывают все новые и новые грани удивительного «мира РНК». Высокопроизводительные технологии секвенирования нуклеиновых кислот позволили обнаружить в клетках и крови огромное множество разнообразных РНК, среди которых оказались транскрипты тех участков ДНК, которые ранее считались «молчащими».
В результате в конце XX в. удалось открыть природный механизм огромной значимости, управляющий работой клеточного генома, который задолго до этого события был предвосхищен сибирскими учеными в идее «антисмысловых нуклеотидов».
Раскрытие многих тайн «мира РНК», который долгое время скрывался от исследователей за ширмой более узкоспециализированных молекул, белков и ДНК, приблизило нас к пониманию фундаментальных вопросов происхождения жизни. И более того: этот мир РНК, претворившийся в новые перспективные биомедицинские технологии, постепенно становится частью повседневной жизни человечества.
Литература
Власов В. В., Власов А. В. Жизнь начиналась с РНК // НАУКА из первых рук. 2004. № 2 (3). C. 6-19.
Власов А. В. Эволюция в пробирке // НАУКА из первых рук. 2006. № 1 (7). С. 50-59.
Власов В. В. Лекарство для генов // НАУКА из первых рук. 2007. № 2 (14). С. 56-59.
Карпова Г. Г., Грайфер Д. М., Малыгин А. А. Рибосома – минифабрика по производству белков // НАУКА из первых рук. 2006. № 6 (12). С. 46-53.
Франк-Каменецкий М. Д. Самая главная молекула, Москва: Наука, 1983.
Черноловская Е. Л. РНК-интерференция: клин клином… // НАУКА из первых рук. 2008. № 1 (19). С. 54-59.
Knorre D. G., Vlassov V. V., Zarytova V. F. et al. Design and targeted reactions of oligonucleotide derivatives, Boca Raton, CRC Press, 1994.
Vlassov V. V., Pyshnyi D. V., Vorobjev P. E. Nucleic acids: structures, functions, and applications. In Handbook of nucleic acids purification, Ed. D. Liu, Boca Raton, CRC Press, 2009.
