Мир рнк как предшественник современной жизни кратко. Жизнь начиналась с рнк
Цепи ДНК могут взаимодействовать между собой, образуя знаменитую двойную спираль (дуплекс), в то время как цепи РНК более склонны к взаимодействиям сами внутри себя с получением "шпилек", петель, крестов и т.д. Все эти взаимодействия как между цепями, так и внутри одной цепи нуклеиновых кислот (НК) обусловлены специфическим образованием водородных связей между различными гетероциклическими основаниями. В образовании водородных связей участвуют атомы водорода групп-доноров водородной связи и атомы групп-акцепторов, несущие свободную электронную пару. Энергия этой нековалентной связи очень мала, т.е. связь является слабой, но поскольку их образуется очень много, структура НК в целом достаточно устойчива. Существуют наиболее устойчивые сочетания попарно взаимодействующих оснований "пуриновое - пиримидиновое": аденин связывается с тимином или урацилом, а гуанин с цитозином. Такие пары называются каноническими и наиболее часто осуществляются в природе (особенно для ДНК).
В современной живой природе именно ДНК несет на себе функцию хранения генетической информации организма. Совокупность всех молекул ДНК образует геном организма. Возможно, это связано с тем, что молекулы ДНК химически более устойчивы и конформационно менее подвижны, чем молекулы РНК. РНК участвует в процессе реализации генетической информации, кроме того, РНК обладает выраженной ферментативной активностью, т.е. способностью ускорять и направлять биохимические реакции. Однако можно предположить, что молекулы ДНК стали хранилищем генетической информации в процессе эволюции, а на ранних этапах появления и развития жизни геном формировался из более подвижных и активных молекул РНК. РНК геномы существуют и в современном мире, но только у таких "полуживых" существ, как вирусы.
Белки в клетках выполняют самые разнообразные функции: транспортные, структурообразующие, защитные, двигательные, запасные и каталитические. Белки, также как и НК, состоят из мономерных звеньев - аминокислот (АК) (Рис. 4). В природе в составе белков встречается 21 аминокислота, при этом все они обычно являются левовращающими (L-изомеры), т.е. закручивают угол поляризации плоскополяризованного света влево при прохождении им раствора АК. Белки синтезируются в процессе трансляции с помощью рибосом, очень сложно устроенных РНК-белковых комплексов, при этом матрицей, которая определяет последовательность АК в синтезируемом белке, является молекула РНК. Постройка полипептидной (белковой) цепи происходит путем образования между молекулами АК пептидных связей (Рис. 5). Белки, в зависимости от последовательности АК в их составе, образуют сложные пространственные структуры, соответствующие их клеточным функциям. Для нас важно, что и в процессе репликации, и в процессе трансляции в современных организмах белки принимают непосредственное участие, реализуя свою ферментативную функцию.
В целом общий вид процесса воспроизводства и реализации генетической информации в большинстве живых организмов можно представить как триаду последовательных реакций:
- Репликация. Синтез дочерней ДНК на ДНК-матрице;
- Транскрипция. Синтез РНК на ДНК-матрице;
- Трансляция. Синтез белка на РНК-матрице.
Однако, как уже отмечалось, вполне возможно функционирование организма, не имеющего ДНК. Его геном в этом случае представлен в виде РНК, и процессы транскрипции и трансляции совпадают. Подробнее это явление обсуждается в разделе, посвященном теории "РНК-мира".
История теорий возникновения жизни
В течение тысячелетий человечество пыталось ответить на вопрос о том, как появилась на свет жизнь. В разные времена давались различные объяснения этого феномена. Мы обратимся к наиболее значимым из этих теорий, которые правильнее было бы называть гипотезами.
Теория стационарного состояния.
Если следовать этой гипотезе, Земля существовала вечно, никогда не возникая, всегда была способна поддерживать жизнь, и любые изменения на ней являлись совершенно незначительными. Виды живых организмов также существовали всегда, и у любого вида есть всего две возможности - изменение численности либо вымирание. Понятно, что эта "теория" в настоящее время просто не выдерживает никакой критики.
Теория спонтанного зарождения.
Теория очень древняя, распространенная еще в Китае, Египте и Вавилоне. В Греции она нашла проявление в учении Эмпедокла об органической эволюции. Ее же придерживался и Аристотель. Согласно ему, определенные частицы вещества несут в себе "активное начало", способное в подходящих условиях создать живой организм. Это "начало", по мнению Аристотеля, можно обнаружить в оплодотворенном яйце, гниющем мясе, тине и солнечном свете:
"Таковы факты - живое может возникать не только в результате спаривания животных, но и разложения почвы... Некоторые растения развиваются из семян, а другие самозарождаются под действием сил природы из разлагающейся земли или определенных частей растений..."
Однако с приходом Христианства, особенно в Средние века, теория спонтанного зарождения оказалась под гнетом Церкви. Ее считали атрибутом колдовства и проявлением дьявольщины. Тем не менее, она продолжала существовать. На рубеже XVI-XVIIв.в. Ван Гельмонт описал эксперимент, в котором ему удалось из грязного белья и пшеницы, помещенных в темный шкаф, получить мышей. Активным началом зарождения мыши Ван Гельмонт считал человеческий пот. В конце XVII века итальянцем Франческо Реди был проведен более строгий эксперимент: в сосуды было помещено мясо, рыба, змеи, часть сосудов была запечатана, часть оставалась открытой. Выяснилось, что в запечатанных сосудах никакого зарождения не произошло, в открытых же завелись личинки мух. Из этого Реди был сделан вывод о возникновении живого только из предсуществующей жизни.
В 1765 году Ладзардо Спалланцани подвергнул мясные и овощные отвары кипячению и сразу же запечатал их. Через несколько дней он исследовал отвары и не обнаружил никаких признаков жизни. Из этого он заключил, что высокая температура уничтожила все живое, и ничего нового уже не могло возникнуть. Окончательно теория самозарождения была повержена в опытах Луи Пастера, доказавшего справедливость теории биогенеза, т.е. происхождения жизни из предшествующей жизни. Правда, это вызвало затруднительный вопрос о происхождении самого первого живого организма.
Теория креационизма.
Согласно этой теории, жизнь возникла в результате некоего сверхъестественного события в прошлом, что чаще всего означает божественное творение. В 1650 году ирландский епископ Ашер рассчитал, что Земля возникла в октябре 4004 года до н.э. Существует множество других подобных "вычислений".
Теория панспермии.
Данная теория не предлагает никакого механизма возникновения жизни, просто выдвигая постулат о внеземном ее происхождении. Утверждается, что жизнь могла возникать неоднократно в различное время и в разных местах Вселенной. При изучении метеоритных материалов действительно были обнаружены некоторые вещества - предшественники живого, а также структуры, похожие на простейшие микроорганизмы. Вероятно, они могли сыграть свою роль в зарождении или разнообразии земной жизни. Подробнее этот вопрос мы рассмотрим в последнем, четвертом разделе этой статьи.
Теория биохимической эволюции.
Исторически эта теория связывается с именем замечательного русского ученого А.И. Опарина, высказавшего мнение, что в условиях первичной атмосферы Земли, значительно отличающейся от нынешней, мог происходить синтез всех необходимых для зарождения жизни веществ-предшественников. Считается, что первичная атмосфера состояла преимущественно из аммиака, воды, метана, окиси и двуокиси углерода. Отсутствие кислорода придавало ей восстановительные свойства. В таких условиях органические вещества могли создаваться гораздо проще и могли сохраняться, не претерпевая распада длительное время. Опарин полагал, что сложные вещества могли синтезироваться из более простых в условиях океана. Необходимая для реакций энергия приносилась солнечной радиацией, т.к. защитного озонового экрана еще не существовало; также синтез имел место в условиях грозовых разрядов. Разнообразие находившихся в океане простых соединений и большие масштабы времени позволяют предположить возможность накопления в океане большого количества органики, образовавшей "первичный бульон", в котором могла зародиться жизнь. Блестящее подтверждение эта теория нашла в экспериментах Стэнли Миллера, проведенных в 1953 году: через смесь газов, моделирующую первичную атмосферу, пропускались мощные электроразряды. В результате удалось синтезировать ряд АК, аденин, рибозу, другие простые сахара... В схожем опыте Орджелом были получены короткие НК (олигонуклеотиды). В результате этих исследований стало понятно, что основные органические вещества-мономеры, необходимые для возникновения полимерных молекул НК и белков, действительно могли быть химически получены в условиях пребиотического мира, т.е. мира, еще лишенного жизни. Но главный вопрос - механизм перехода от неживого к живому - теория Опарина все же оставляет открытым. Предполагается, что это выглядело следующим образом. Главная роль принадлежала белкам - они образовывали коллоидные гидрофильные комплексы с молекулами окружающей их воды. Эти комплексы формировали своеобразные мицеллы. Слияние таких комплексов друг с другом приводило к их отделению от водной среды, что получило название коацервации. Капли-коацерваты могли обмениваться веществами с окружающей средой и накапливать различные соединения. Различие состава коацерватов открывало возможности для биохимического естественного отбора. В самих каплях происходили дальнейшие химические превращения попавших туда веществ. На границе капель с внешней средой выстраивались молекулы жиров (липиды), образуя примитивную мембрану, повышающую стабильность всей системы. При включении в коацерват или при образовании внутри него первой молекулы, способной к самовоспроизведению тем или иным путем, появлялась первая клеткоподобная структура. Рост размеров коацерватов и их деление, еще статистическое, могло привести к образованию идентичных копий коацерватов. Они также поглощали компоненты окружающей среды, и процесс продолжался. Таким путем мог возникнуть первый гетеротрофный организм, использовавший для питания органические вещества "первичного бульона".
Отмечая малую вероятность протекания всех этих процессов в таком сложном и целенаправленном порядке, Фред Хойл сказал, что теория эта "столь же нелепа, как и предположение о возможности сборки "Боинга 747" ураганом, пронесшимся над мусорной свалкой". Действительно, события эти маловероятны, если рассматривать их в отрыве друг от друга и считать взаимно независимыми. Однако последние исследования показывают, что этот подход не является правильным, и в сложных полимолекулярных системах многие процессы синергетически детерминированы. В этом случае образование живого организма становится неизбежным после прохождения определенного этапа.
Теория "РНК-Мира"
В последние годы все больше сторонников находит эта теория возникновения жизни, становясь господствующей в решении этого вопроса. Суть ее состоит в том, что основоположниками жизни являлись не белки, а молекулы РНК. Образование компонентов мономерных звеньев РНК - углеводных циклов рибозы и гетероциклических оснований - как уже показано, не представляло принципиальных затруднений. Значительно труднее представить себе процесс образования из них непосредственно нуклеозидов, а затем и соединение последних в НК. Действительно, в условиях гомофазного процесса в газовой или жидкой среде такой синтез мог оказаться крайне затруднительным. Однако он относительно легко осуществляется в условиях гетерофазного катализа на твердой подложке. В качестве последней выступают многие минералы земной коры: карбонат кальция, каолинит, монтмориллонит, соединения алюминия, цеолиты. При этом они способствуют не только ускорению синтеза, но и правильной ориентации реагирующих компонентов. На таких подложках осуществлялась сшивка сначала нуклеозидов, а затем и образование межнуклеотидной связи при участии фосфорной кислоты или ее производных. Например, удалось осуществить синтез олигоцитидина, т.е. короткой молекулы РНК, состоящей только из одного типа нуклеозидов, на монтмориллонитовой подложке из 5"-фосфоримидазолида цитидина. Аналогично были получены и более сложные олигонуклеотиды, содержащие нуклеозиды разных типов. Интересно, что РНК-цепь сохранялась стабильной очень длительное время. При этом длинные олигонуклеотиды, находясь на минеральной матрице, могли связываться с ди- и тринуклеотидами путем образования водородных связей между комплементарными основаниями. Между этими ди- и тринуклеотидами также могли образовываться межнуклеотидные связи. Так осуществлялся синтез дочерней РНК на РНК-матрице, т.е. аналог транскрипции. Подобная последовательность операций могла иметь место и в случае матрично-направленного синтеза пептидов на РНК: отдельные ди- и тринуклеотиды связывались с молекулами АК, например, за счет гидрофобных взаимодействий или водородных связей и переносили их к РНК-матрице. С молекулой РНК ди- и тринуклеотиды взаимодействовали посредством водородных связей. В результате около цепи РНК выстраивалить нуклеотиды, несущие АК. Если они располагались близко друг от друга, то становилось возможным образование пептидных связей между молекулами АК с образованием полипептида - небольшого "белка". Таким образом реализовывалась реакция трансляции, причем без участия белков-ферментов. Здесь особенно важно подчеркнуть, что все эти процессы осуществлялись высокоспецифично, т.к. само образование водородных связей между различными молекулами является достаточно селективным: наиболее устойчивы те взаимодействия, в которых реализуется наибольшее число водородных связей. В условиях равновесности процессов такая избирательность приводила к воспроизведению определенных молекул: каждая матрица "производила" присущие только ей продукты. Такой синтез мог проходить в первичных каплях-коацерватах. Это приводило к накоплению четко очерченного набора биомолекул в каждой из них, однако разнообразие самих капель и условий, в которых они существовали, давало большие возможности для отбора наиболее устойчивых капель, что являлось уже протоэволюцией. Самовоспроизводящиеся делением капли все увеличивались в размерах и постоянно усложнялись, вовлекая в себя новые и новые вещества. Таким путем могла возникнуть первая клетка.
Существует, однако, неясность, была ли РНК первой жизнеобразующей молекулой или существовали более древние предшественники. Некоторое время тому назад был осуществлен синтез вещества-химеры, называемого пептидонуклеиновая кислота (ПНК), в котором скелет цепи был образован молекулами аминокислоты, N-(2- аминоэтил)глицина, и к этому скелету крепились гетероциклические основания. Таким образом, сахарофосфатный остов был заменен полипептидным. В настоящее время некоторые исследователи считают ПНК кандидатом на роль возможного предшественника РНК, хотя пребиотическая роль ПНК еще строго не доказана.
Космическое зарождение и космический транспорт
С развитием спектральных методов исследования космического пространства были получены новые интересные факты, говорящие в пользу возможности возникновения жизни вне Земли и занесения ее в дальнейшем на нашу планету метеоритным или иным транспортом.
Ранее было обнаружено, что многие метеориты содержат в себе самые разнообразные химические вещества, служащие предшественниками жизни. Особое внимание в этой связи привлекали углистые хондриты, в составе которых находили структуры, похожие на первичные простейшие организмы. Несмотря на то, что биологическое прошлое этих включений пока не подтвердилось, теория их биологического происхождения бурно развивается, продолжают поступать все новые данные об обнаружении подобных образований в метеоритах, найденных, в частности, в нижних слоях материкового ледника Антарктиды.
Теперь мы располагаем данными, свидетельствующими о наличии значительных количеств органического вещества в межзвездных газопылевых облаках. Учитывая, что плотные и диффузные облака составляют 20-30% всего галактического вещества, становятся понятными масштабы, в которых осуществляется органический синтез в межзвездном пространстве. Обнаружено более 130 органических соединений, среди которых формальдегид, цианацетилен, муравьиная кислота, вода, аммиак, т.е. необходимые предшественники биомолекул. Установлено присутствие фосфора, в диффузных облаках с высокой вероятностью предполагаются ароматические углеводороды, обнаружены фуллерены, углеродистые цепи, керогеноподобные структуры сложной геометрии. Интересно отметить, что концентрация основных элементов, участвующих в образовании биомолекул, C, N, S, P, O, H в целом отвечает средней концентрации этих элементов в космическом пространстве. Известно, что космическая пыль постоянно захватывается Землей (десятки тонн в сутки). Этот процесс, безусловно, имевший место и в условиях первичной Земли, мог послужить делу занесения органических веществ на поверхность планеты, где они могли претерпевать дальнейшие превращения в более мягких условиях, например, в океанической воде.
Большой интерес представляет непосредственно процесс синтеза органических соединений на поверхности твердых частиц газопылевых облаков. Считается, что в их основе лежат аморфные силикаты с примесью оксидов и сульфидов металлов (Al, Fe, Mg), а также оливина - смешанного сульфата железа и магния. Все это составляет ядро частицы, покрытое ледяной мантией, включающей воду, оксиды углерода и множество простых органических соединений. Понятно, что в условиях нулевых температур возможны только реакции, имеющие знергию активации, близкую к нулевой, также могут осуществляться процессы с участием подвижного протона, способного туннелировать через активационный барьер. Также важно учесть, что из-за малой концентрации вещества осуществляются только бинарные взаимодействия. Однако при попадании частицы из стационарной фазы в более теплую активную звездообразующую область активируются процессы, вызываемые бомбардировкой космическим излучением, воздействием УФ и температурными изменениями. При воздействии на аналоги льда подобными агентами были обнаружены сложные смеси радикалов и веществ, вплоть до сложной стабильной органики. Можно предположить, что приводящие к этому неравновесные химические процессы имеют более сложную природу, чем обычные процессы в условиях Земли.
Необходимо также отметить, что возникновение и развитие жизни вне Земли может идти по нескольким путям. Во-первых, возможен "землеподобный" путь, т.е. возникновение биологических молекул, похожих на земные НК и белки, наличие генов и хранение и передача генетической информации по механизму, аналогичному земному. Во-вторых, можно предположить существование "зеркального мира", т.е. мира, состоящего из D-аминокислот и L-нуклеозидов. Тем более, что эти соединения не являются абсолютной экзотикой даже на Земле. D-аминокислоты входят в состав нейропептидов и опиоидных пептидов некоторых высших организмов, а в низших организмах они входят в состав клеточной стенки. Короткие НК, состоящие из L- нуклеозидов, были синтезированы химически, и было показано, что они не взаимодействуют с обычными D-нуклеиновыми кислотами, но могут образовывать устойчивые дуплексы с L-олигонуклеотидами. Наконец, нельзя исключить, что в условиях, сильно отличающихся от земных, биологические молекулы и механизмы их функционирования могут быть совершенно иными. Например, теоретически можно предположить возникновение биомолекул, содержащих вместо атомов углерода атомы кремния. Понятно, что молекулярная масса таких молекул будет значительно выше массы обычных углерод-содержащих аналогов, что должно существенно ограничить подвижность состоящих из них организмов и изменить пути эволюции таких "живых камней".
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
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Кубанский государственный аграрный университет
УДК 577.2+573..55
03.00.00 Биологические науки
Концепция «Мир Рнк»: теория и практика
Плотников Владимир Константинович
д.б.н., доцент
Салфетников Анатолий Алексеевич
д.c.-х.н., профессор
В обзоре рассматривается развитие исследований необычных свойств РНК, интенсивно начавшиеся в самом начале 80-ых годов XX века, что привело к формированию концепции «Мир РНК». В теоретическом отношении в контексте мировой научной концепции о рибозимах это способствует возможности в корне пересмотреть теорию происхождения жизни на Земле. Основой современной жизни является наследуемый биосинтез белков, который определяет все признаки ныне существующих организмов. В качестве центрального звена процесса биосинтеза белков выступает совокупность взаимодействующих друг с другом молекул РНК различных типов. Можно сказать, что совокупность молекул РНК - мир РНК - по-прежнему составляет ядро жизни. Современная жизнь - это РНК, передавшая часть свих генетических функций рождённому ею же полимеру - ДНК и синтезирующая белки для всеобъемлющего эффективного функционирования содержащих её компонентов - клеток и многоклеточных организмов. В практическом плане необычные древние особенности РНК нашли в последнее время эффективные практические приложения. В частности, исследования магний-зависимого самораспада РНК в водных растворах позволяют создавать молекулярно-кинетические маркёры, позволяющих количественно оценивать эффект взаимодействия «генотип-среда» у растений и животных. Изучение системы РНК-интерференции и её применения находится на самой ранней стадии, но этому открытию суждено сыграть в постгеномную эру ключевую роль
Ключевые слова: РНК, рибозимы, регуляция экспрессии генов, РНК-интерференция, РНК-маркёры
Doi: 10.21515/1990-4665-128-053
«Бог создал мир так, что всё, что нужно, не очень сложно, а всё, что сложно, не очень нужно» Григорий Сковорода, украинский философ
«Простота -- это то, что труднее всего на свете;
это крайний предел опытности и последнее усилие гения»
Леонардо да Винчи
Введение
Молекулы нуклеиновых кислот ДНК и РНК хранят в себе генетическую информацию, необходимую для существования и размножения живой клетки. Белки же выступают в роли действующего начала: молекулы белков-ферментов катализируют тысячи химических реакций, протекающих в клетке. Ещё недавно такое «разделение труда» между информационными и действующими молекулами считалось одним из основополагающих принципов биохимии. Однако в последние десятилетия эта схема была пересмотрена в связи с открытием того, что РНК может выступать в качестве фермента.
Вся активная жизнь построена на обмене веществ - метаболизме, и все биохимические реакции метаболизма происходят с надлежащими для обеспечения жизни скоростями только благодаря высокоэффективным катализаторам, созданным эволюцией. На протяжении многих десятилетий биохимики были уверены, что биологический катализ всегда и всюду осуществляется белками (ферменты или энзимы). Но в 1982-1983 гг. было показано, что в природе имеются виды РНК, которые, подобно белкам, обладают высокоспецифической каталитической активностью. Такие РНК-катализаторы были названы рибозимами. Представлению об исключительности белков в катализе биохимических реакций пришёл конец. В настоящее время рибосому тоже принято рассматривать как рибозим. Все имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что синтез полипептидной цепи белка в рибосоме катализируется рибосомной РНК, а не рибосомными белками. Идентифицирован каталитический участок большой рибосомной РНК, ответственный за катализ реакции транспептизации, посредством которой осуществляется наращивание полипептидной цепи белка в процессе трансляции . Для проявления рибозимных свойств РНК необходимы катионы магния.
Один из основоположников молекулярной биологии Джеймс Уотсон в 1985 году побывал в Москве. В весьма обширном интервью Уотсона представителю журнала «Химия и жизнь» на вопрос о возможности больших обобщений и упрощений в молекулярно-биологических знаниях, подобно тому, как это периодически происходит в физике, когда в процессе накопления фактов и деталей вдруг наступает момент, когда они все охватываются единым и очень экономичным объяснением, он ответил: «Нет, у нас, я думаю, время простоты никогда не настанет. Мы всегда, рассуждая о гене, будем вынуждены говорить о считывании с него информации и о регуляции этого считывания, о воплощении этой информации в белки и о регуляции этого воплощения, и о многом-многом другом. Ведь даже простейшая форма жизни нуждается примерно в тысяче разных белков».
Но в дальнейшем течении интервью Дж. Уотсон озадаченно отмечает: «Я думаю, что самым важным из неожиданных событий последних лет было открытие «сплайсинга» РНК (сшивания РНК) без всяких ферментов. Это очень важно для проблемы происхождения жизни» .
Это было в самом начале экспериментального процесса в науке, который привёл к созданию концепции «мир РНК». Дж. Уотсон ещё не мог в полной мере представить те изменения, которые стремительно последуют в ближайшие годы в мировоззрении учёных и которые приведут к принципиально важному выводу о том, что большие обобщения и упрощения знаний в молекулярной биологии вполне вероятны на основе исследования центрального звена живой материи - молекул РНК, представляющих собой удивительное вещество, поражающее разнообразием своих типов и функций, красотой и согласованностью процессов, в которых оно принимает участие.
1. Открытие рибозимов
Молекулы РНК входят в состав некоторых ферментов (таких, как теломераза, позволяющая клеткам быстро размножаться без старения), но отдельные виды обладают собственной активностью. Так, они могут вносить разрывы в другие молекулы РНК или, напротив, «склеивать» между собой два РНК-фермента.
В связи с рибозимами особенно следует вспомнить о РНКазе Р E.coli, состоящей из небольшого полипептида и РНК длинной в 375 нуклеотидов. Именно РНК обеспечивает этому ферменту эндонуклеазную активность, необходимую для процессинга предшественников тРНК. Одной из задач было выяснение роли РНК, входящей в их состав.
Началась история исследований этого феномена в 70-х годах ХХ века, когда в клетках некоторых организмов были обнаружены эти необычные ферменты.
В конце 70-х годов американские биохимики Томас Чек и Сидни Альтман независимо друг от друга изучали структуру и функции таких ферментов.
Вначале, следуя общепринятому мнению, ученые полагали, что молекула РНК является в таких комплексах лишь вспомогательным элементом, отвечающим, может быть, за построение правильной структуры фермента или за правильную ориентацию при взаимодействии фермента и субстрата (то есть той молекулы, которая и подвергается изменению), а саму катализируемую реакцию выполняет белок.
Для того чтобы прояснить ситуацию, исследователи отделили белковую и РНК составляющие друг от друга и исследовали их способности к катализу. К своему огромному удивлению, они заметили, что даже после удаления из фермента белка, оставшаяся РНК была способна катализировать свою специфическую реакцию. Такое открытие означало бы переворот в молекулярной биологии: ведь раньше считалось, что к катализу способны лишь белки, но никак не нуклеиновые кислоты.
Самым убедительным доказательством способности РНК к катализу стала демонстрация того, что даже искусственно синтезированная РНК, входящая в состав изучаемых ферментов, может самостоятельно катализировать реакцию.
Эндорибонуклеазная активность самой РНК (вне связи с белком) была впервые обнаружена Т. Чеком в 1980 г. у интрона групп I предшественника рибосомной РНК Tetrahymena thermophila, осуществляющего аутокаталитическую реакцию сплайсинга (аутосплайсинга), в результате которой происходит вырезание из молекулы предшественника рРНК последовательности этого интрона и образование зрелой молекулы рРНК . С тех пор аутокаталитические реакции расщепления были выявлены у многих молекул РНК.
Молекулы РНК, способные к катализу, были названы рибозимами (по аналогии с энзимами, то есть белковыми ферментами). За их открытие в 1989 году Чек и Альтман были удостоены Нобелевской премии по химии .
Вместе с тем показано, однако, что рибозимы современных организмов обладают весьма ограниченным диапазоном каталитических активностей, осуществляющих преимущественно реакции гидролиза и переноса фосфодиэфирных связей в самой РНК, а также в ДНК. Представления о возможностях РНК катализа значительно расширились с развитием методов искусственного отбора и амплификации молекул из синтезированных хаотических последовательностей РНК. Оказалось, что рибозимы, полученные в результате молекулярной селекции, катализируют образование полимерных цепей, комплементарных материнским молекулам РНК.
Они также способны катализировать реакции, имеющие прямое отношение к биосинтезу белка, например, перенос аминоацильных и пептидильных радикалов и образование пептидной связи. С этим хорошо согласуется тот факт, что рибосомная 23S РНК выполняет каталитическую функцию в биосинтезе белка и нельзя исключить, что именно полинуклеотидный катализатор обеспечивает пептидилтрансферазную активность современной рибосомы. Эти результаты дают основание полагать, что каталитические активности, присущие полирибонуклеотидным молекулам, могли обеспечить развитие процессов репликации и трансляции в мире РНК .
После открытия Т. Чеком с соавторами в 1981-1982 гг. аутосплайсинга (самосшивание) рибосомной РНК у Tetrahymena thermophila стало ясно, что сами молекулы РНК могут обладать каталитическими свойствами, вполне сопоставимыми со свойствами ферментов-протеинов. Именно открытие рибозимов (РНК-ферментов) привело к созданию концепции «мира РНК» - мира, который, вероятно, возник и существовал задолго до оформления ныне существующего «ДНК-белкового мира». Вскоре после открытия рибозимов в одной из работ родоначальник и классик молекулярной биологии Ф. Крик писал: «Эти эксперименты (по каталитической РНК) поддерживают гипотезу, что биохимия РНК предшествовала традиционной биохимии, основанной на нуклеиновых кислотах и белках».
"РНКовый мир" - книга под таким названием впервые вышла в 1993 году в издательстве Колд-Спринг-Харбора (США). Эта книга в последствие неоднократно переиздавалась.
Авторы, среди которых был и Чек, обсуждали на страницах объёмистого тома эволюционные аспекты зарождения катализа, специфичность и функции макромолекул. В начале 1990-ых годов ещё никто не мог предполагать взрыва интереса к РНК, и книга пользовалась интересом главным образом среди теоретиков. Теперь же совсем другое дело. Можно только поразиться провидческой способности редакторов первого издания, которые предпослали книге подзаголовок: "Природа современной РНК предполагает её пребиотичность" .
2. Новый взгляд на происхождение жизни на планете Земля
Проблема происхождения жизни приобрела неодолимое очарование для всего человечества. Она не только привлекает к себе пристальное внимание учёных разных стран и специальностей, но интересует вообще всех людей мира.
В конце 60-ых годов XX века известный английский учёный Джон Бернал в своей монографии «Возникновение жизни» (1967) писал: «Гипотеза Уотсона и Крика, предложенная ими в 1953 году, произвела полный переворот в биологии, да и, можно сказать, в науке вообще. Возможность приложения этой гипотезы к проблеме возникновения жизни очевидна, хотя и не осознаётся ещё должным образом даже её авторами….
Успехи, достигнутые молекулярной биологией, заставили нас пересмотреть многое из того, что прежде считалось очевидным…
Лишь после работ Уотсона, Крика и Ниренберга, раскрывших всю сложность процесса белкового синтеза, нам стало ясно, что здесь мы имеем дело с тончайшим механизмом воспроизведения - воспроизведения не столько самих организмов, сколько составляющих его молекул» .
Однако до 80-ых годов XX века, ввиду отсутствия экспериментально мотивированного ответа на вопрос о том, как сформировались в эволюции системы декодирования генетической информации нуклеиновых кислот в структурные параметры белков, проблема возникновения организмов, одновременно обладавших каталитическим и генетическим аппаратом, казалось неразрешимой. Возможность решения этой проблемы открывалась, если предположить, что на начальных этапах эволюции обе функции могли быть объединены, в каком-либо одном классе биополимеров. Следует сказать, что, несмотря на экспериментальные свидетельства абиотической конденсации аминокислот в каталитически активные полимеры, неспособность полипептидов (в отличие от полинуклеотидов) реплицироваться с образованием комплементарных последовательностей не позволяла рассматривать белки в качестве хранителя и переносчика генетической информации.
Сценарий развития жизни преобразовался. Вначале, по новой гипотезе, в условиях молодой Земли спонтанно появились короткие цепочки молекул РНК. Некоторые из них, опять же спонтанно, приобретали способность к катализу реакции собственного воспроизведения (репликации). Из-за ошибок при репликации некоторые из дочерних молекул отличались от материнских и обладали новыми свойствами, например, могли катализировать другие реакции.
Еще одно важнейшее свидетельство того, что "вначале была РНК", принесли исследования рибосом. Рибосомы - структуры в цитоплазме клетки, состоящие из РНК и белков и отвечающие за синтез клеточных протеинов. В результате их изучения было выявлено, что у всех организмов именно РНК, находящаяся в каталитическом центре рибосом, отвечает за главный этап в сборке белков - соединение аминокислот между собой. Открытие этого факта еще более упрочило позиции сторонников РНК-мира. Действительно, если спроецировать современную картину жизни на ее возможное начало, разумно предположить, что рибосомы - структуры, специально существующие в клетке, чтобы "расшифровывать" код нуклеиновых кислот и производить белок, - появились когда-то как комплексы РНК, способные к соединению аминокислот в одну цепочку. Так на основе мира РНК мог появиться мир белков.
Таким образом, имеется много достаточно веских теоретических доводов, чтобы считать молекулу РНК основоположницей жизни на Земле. В 1989 году нобелевский лауреат по химии Уолтер Гилберт, придумавший на основании идеи российских академиков Е.Д. Свердлова и А.Д. Мирзабекова, один из первых методов секвенирования ДНК, ввел в оборот выражение "мир РНК", имея в виду полноценный, самостоятельный и способный к эволюции мир доклеточной жизни.
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 .
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 каталитической функции у полинуклеотидов могло привести к формированию своеобразного «мира РНК» как основы эволюции первичной биосферы. Представления о существовании мира РНК исходят из предположения, что именно полинуклеотиды составляют химическую основу древнейших организмов, т.е. молекулы РНК функционировали как генетический материал и одновременно выполняли каталитические функции в присутствии генетически упорядоченных белков .
При наличии активированных аминокислот синтез пептидов не представляется трудной задачей. Активированные аминокислоты конденсируются даже в водных растворах с образованием коротких пептидов, а цепи длиной до 50 аминокислот образуются на минеральных поверхностях. Абстрактная схема биосинтеза белка в примитивных системах с участием каталитических РНК представлялась следующим образом. Примитивные РНК, аминоацилирующие сами себя активированными аминокислотами по аутокаталитическому механизму, могут выступать донорами и акцепторами аминокислот в реакциях переноса ацильных групп, катализируемых рибозимами .
Для признания РНК в качестве молекул, осуществляющих в примитивных системах синтез белков, показана возможность выполнение ими следующих функций: узнавание аминокислот, аминоацилирование тРНК, перенос ацильных групп, активация аминокислот и синтез пептидов.
Рибозимы способны катализировать и некоторые другие химические реакции, характерные для обмена веществ. Сегодня развиваются представления о том, что каталитический потенциал примитивных РНК мог быть существенно расширен за счет присоединения к их молекулам коферментных групп .
В Институте белка РАН А.Б. Четвериным с сотрудниками экспериментально в 90-е годы XX века была показана способность молекул РНК формировать молекулярные колонии на гелях или других твёрдых средах, если на этих средах им были предоставлены условия для репликации (все четыре рибонуклеотидтрифосфата, катионы магния (Mg++) и фермент РНК-зависимая РНК-полимераза). Дальнейшие исследования этой же группы исследователей показали, что молекулы РНК при столкновении в водной среде могут спонтанно обмениваться частями, то есть, обладают способностью к неэнзиматической рекомбинации. Возможность легкого распространения молекул РНК через среду, в том числе атмосферную, также было продемонстрирована в прямых экспериментах .
В теоретическом отношении это открытие в контексте мировой научной концепции о рибозимах ("РНК-мир") способствует возможности в корне пересмотреть теорию происхождения жизни на Земле. Смешанные колонии РНК на твёрдых или полутвёрдых носителях могли быть первыми эволюционизирующими бесклеточными ансамблями, где одни молекулы выполняли генетические функции (репликацию молекул РНК всего ансамбля), а другие формировали необходимые для успешного существования структуры (например, такие, которые адсорбировали нужные вещества из окружающей среды) или были рибозимами, ответственными за синтез и подготовку субстратов для синтеза РНК. Эта коммунальная форма существования мира РНК должна была очень быстро эволюционировать. В ходе этой молекулярной эволюции первую функцию РНК передала ДНК, а вторую - белкам. Что же стало с РНК после распада коммуны?
Хотя коммуна распалась, мир РНК сохранился в каждой клетке каждого живого организма. Основой современной жизни является наследуемый биосинтез белков, который определяет все признаки ныне существующих организмов. В качестве центрального звена этого процесса биосинтеза белков выступает совокупность взаимодействующих друг с другом молекул РНК различных типов, прежде всего рибосомной РНК, формирующей аппарат белкового синтеза, тРНК, доставляющей в рибосому активированные аминокислоты для построения полипептидных цепей белков, и мРНК, несущей в своей нуклеотидной последовательности программу для синтеза белка. Кроме этих трёх основных представителей внутриклеточного мира РНК, обнаружен целый ряд некодирующих РНК (нкРНК).
Оказалось, что нкРНК выполняют множество функций с использованием не известных ранее механизмов: нкРНК участвуют в регуляции транскрипции генов, сплайсинге и регуляции деградации РНК. Они вовлечены в трансляцию и её регуляцию, в процессинг и модификацию рибосомной РНК, в защиту от вирусных инфекций и мутагенной активности мобильных генетических элементов, а также в ряд других процессов. РНК явно потеснили белки на пьедестале главных молекул, обеспечивающих жизнедеятельность клеток .
Все рассмотренные аргументы подчёркивают важную, если не исключительную, роль РНК в происхождении жизни на земле.
Однако, несмотря на высокую популярность идеи РНК-мира, сторонники ДНК-овой и белковой теории не сдают свои позиции. Как оказалось ДНК может служить даже лучшим ферментом, чем РНК. При этом молекулы ДНК гораздо более устойчивы, чем молекулы РНК, что дает ДНК немалое преимущество. Исследования продолжаются.
3. Мир РНК - новые практические перспективы
нуклеиновый рнк наноколония
Можно сказать, что совокупность молекул РНК - мир РНК - по-прежнему составляет ядро жизни. Современная жизнь - это РНК, передавшая часть свих генетических функций рождённому ею же полимеру - ДНК и синтезирующая белки для всеобъемлющего эффективного функционирования содержащих её компонентов - клеток и многоклеточных организмов . Необычные древние особенности РНК нашли в последнее время эффективные практические приложения.
РНК-маркёры на основе наноколоний
С практической стороны, описанные выше наноколонии РНК в настоящее время составляют один из классов РНК-маркёров. Так как практически каждая наноколония происходит из одной матричной молекулы, с помощью наноколоний можно обнаружить и идентифировать одиночные молекулы ДНК и РНК, в том числе - с диагностическими целями. В настоящее время наноколонии применяются в нашей стране и за рубежом для различных научных и прикладных задач. Важнейшим направлением исследований является разработка ранней диагностики онколологических заболеваний.
В России от разных видов рака умирает около 300 000 человек в год, что представляет большую демографическую, экономическую социальную проблему. Лечение осложняется тем, что у большинства больных болезнь диагностируется уже на поздних стадиях. С развитием экономики проблема может только усугубляться, так как частота онкологических заболеваний растёт по мере ухудшения экологической обстановки и увеличения продолжительности жизни населения. Эффективность лечения рака зависит от своевременности диагностики. Однако до сих пор проблема ранней диагностики рака не решена.
Наноколонии РНК позволяют создать технологию молекулярной диагностики рака на стадии, когда его ещё невозможно обнаружить существующими методами. Диагностировать болезнь предполагается путём обнаружения в клинических образцах (например, в крови, в моче или в мокроте) молекул определённых индикаторных ("маркёрных") РНК, которые присутствуют во всех раковых клетках независимо от вида рака. Примером такого универсального маркёра является мРНК белковой субъединицы теломеразы - фермента, отвечающего за синтез концевых участков хромосом (теломер). Эта мРНК присутствует и в нормальных стволовых клетках, которые, подобно раковым клеткам, способны к неограниченному делению. Однако, в отличие от раковых клеток, стволовые клетки находятся в своих нишах и не распространяются по организму. Поэтому присутствие теломеразной мРНК там, где стволовых клеток быть не должно (например, в плазме или в клетках крови), может служить указанием на наличие злокачественного процесса. Существуют также РНК, которые могут служить групповыми маркёрами всех видов рака кишечника, или всех видов рака молочной железы, или всех видов рака печени. Попытки использовать РНК-маркёры для молекулярной диагностики рака были и раньше, но из-за ограниченной чувствительности и недостаточной специфичности стандартной ПЦР (полимеразной цепной реакции) они закончились неудачей.
Следует отметить исключительно высокий потенциал наноколоний для диагностики любых заболеваний, для которых существуют РНК- или ДНК-маркёры, в т.ч. инфекционных и генетических, а также мониторинга окружающей среды, решения задач судебной медицины, обнаружения следовых количеств генетически модифицированных организмов. Более того, наноколонии могут быть использованы для детекции молекул, отличных от РНК или ДНК. Например, молекула белка (в том числе белка-маркёра рака) может быть обнаружена путём размножения суррогатной ДНК-мишени, образованной лигированием фрагментов ДНК, способных одновременно связываться с данной молекулой белка посредством специфических лигандов (например, антител). Подобным же образом с помощью наноколоний можно обнаружить одиночные молекулы любого вещества (например, наркотика или допинга), достаточно сложные для формирования на своей поверхности, по крайней мере, двух участков специфического связывания лигандов .
4. В помощь антибиотикам
Важнейшей проблемой современности является быстрая эволюция бактерий в направлении приобретения устойчивости к антибиотикам, приводящая к возрождению многих заболеваний человека.
Профессор Йельского университета (США) Сидни Альтман, продолжая исследования в области каталитической способности РНК, стал разрабатывать способы борьбы с инфекционными заболеваниями (антибактериальная и антималярийная терапия), используя каталитические способности конкретного РНК-фермента - рибонуклеазы Р. Конечная цель - создать препарат, который мог бы быть альтернативой в случае устойчивости инфекции к антибиотикам. На конкретных объектах исследований разрабатываются фундаментальные основы подходов, которые могли бы быть общими для лечения многих инфекционных заболеваний. В перспективе синтезировать определённые соединения, которые могут быть легко модифицированы для борьбы, как с бактериями, так и с малярией. Это направление исследований представляет перспективную альтернативу применению в медицине антибиотиков, возможности которых стремительно тают. Сидни Альтман разрабатывает это важнейшее направление, в частности, совместно с Институтом химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (г. Новосибирск) .
Как зарождались знания, составляющие основу практического применения теорий и методов молекулярной биологии РНК
Лауреат Нобелевской премии за открытие рибозимных свойств РНК Сидни Альтман (Олтмен, 1939 г. р.) всегда был связан с Россией: его отец Виктор Альтман эмигрировал из СССР в 1934 году. Заняться молекулярной биологией начинающему учёному Альтману посоветовал русский физик Георгий Гамов.
В 1954 году, через год после открытия Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком двуспиральной структуры ДНК, в США Георгий Гамов (самый молодой член-корреспондент АН СССР, советский учёный-физик, покинувший СССР в 1933 году) неожиданно внёс существенный вклад в становление молекулярной биологии, впервые поставив задачу генетического кода. Он понял, что структуры белков, состоящих из 20 основных (природных) аминокислот - должна быть зашифрована в последовательности из четырёх возможных нуклеотидов, входящих в состав молекулы ДНК.
Исходя из простых арифметических соображений, Гамов показал, что при сочетании 4-ёх нуклеотидов тройками получается 64 различные комбинации, чего вполне достаточно для записи наследственной информации. Таким образом, он был первым, кто предложил кодирование аминокислотных остатков триплетами нуклеотидов .
Практически генетический код позволил расшифровать метод бесклеточной системы синтеза белка (in vitro). Первые результаты в этом направлении были получены в 1961 году, когда М. Ниренберг и Х. Матеи синтезировали упрощённую форму мРНК, состоящую из одинаковых нуклеотидов и обнаружили, что в её присутствии происходит образование длинной цепи белковоподобной молекулы, состоящей из аминокислот одного-единственного вида. Искусственная мРНК представляла собой полинуклеотид поли-У, в котором все нуклеотиды содержали только одно основание - урацил. Когда поли-У добавляли к экстракту из клеток бактерии E. coli (кишечная палочка) наряду с аминокислотами, а также соединения, способными служить источниками энергии, начинался синтез полипептидной цепи, построенной только из остатков аминокислоты фенилаланин. Так было обнаружено, что кодон УУУ соответствует фенилаланину.
Этот первый успех указал путь, следуя которому в скором времени удалось установить кодоны и для ряда других аминокислот; требовалось только перепробовать различные формы синтетических мРНК. В ближайшее время были открыты тРНК и установлено, что синтез белка в клетке начинается с формилметионина, открыты были инициирующие кодоны АУГ и ГУГ. Тогда возник вопрос, каким образом некоторые синтетические мРНК, например поли-У, которые, конечно, не содержат таких кодонов, ухитряются как-то заставлять рибосомы синтезировать полипептиды?
Вероятно, это происходит по ошибке - из-за того, что рибосомы ведут себя «не по инструкции». (Следовательно - ирония судьбы! - генетический код был расшифрован именно благодаря тому, что искусственные системы способны иногда так удачно ошибаться!). Каковы же те обстоятельства, которые приводят к тому, что эти системы совершают «нужные» ошибки?
Один из факторов был вскоре найден. Им оказалась высокая концентрация магния в бесклеточных системах. При высоком содержании магния способность строить полипептиды приобретают многие синтетические мРНК; при более низких концентрациях, синтез могут вести только те РНК, в которых присутствуют кодоны АУГ и ГУГ. Каким образом магний инициирует синтез? На этот вопрос нет однозначного ответа .
О различии молекулярных механизмов формирования морозоутойчивости озимой мягкой пшеницы и озимого ячменя
Итак, концентрация магния. Установлено, чем больше содержится магния в рРНК, тем активнее синтезируют белок (полифенилаланин) рибосомы зародышей пшеницы в бесклеточной системе синтеза белка (in vitro) на искусственной матрице (поли-У) . Вполне возможно, что концентрация катионов магния в клетке определяет интенсивность синтеза «ошибочных» полипептидов, предположительно расширяющих адаптационные свойства организмов .
Морозоустойчивость озимой мягкой пшеницы прямо пропорциональна периоду полужизни мРНК, но обратно пропорциональна периоду полужизни рРНК и содержанию катионов Mg++ в РНК . Вероятно, этим можно объяснить факт сортоспецифического усиления in vitro трансляционной активности полисом из проростков пшеницы и ячменя под влиянием закаливающей температуры , тогда как в этих условиях длина поли-А-хвоста мРНК (энхансера трансляции) у пшеницы увеличивалась, а у ячменя сокращалась . Но ячмень содержит гораздо больше катионов магния по сравнению с пшеницей , что, возможно, и определяло увеличение трансляционной активности рибосом ячменя.
Следовательно, увеличение трансляционной активности полирибосом может происходить как за счёт увеличения длины поли-А-хвоста мРНК как энхансера трансляции (пшеница), так и за счёт увеличения содержания катионов магния в рРНК (ячмень). Можно полагать, что озимый ячмень формирует морозоустойчивость на основе более древнего молекулярного механизма - адаптационного усиление трансляционной активности за счет вариации в содержании магния в рРНК .
Но озимая мягкая пшеница реагирует на закаливающие температуры сортоспецифическим усилением полиаденилирования мРНК . Этот молекулярный механизм, вероятно, более поздний и является более прогрессивным по сравнению с вариациями содержания магния в рРНК. Отсюда, возможно, и более высокая морозоустойчивость озимой мягкой пшеницы по сравнению с озимым ячменём.
Следовательно, изменение концентрации катионов магния в клетке противоположно действует на стабильность мРНК и рРНК. Увеличение концентрации магния приводит к стабилизации рРНК и дестабилизации мРНК.
Таким образом, есть основания полагать, что повышение морозостойкости сорта озимой мягкой пшеницы сопровождается стабилизацией мРНК и дестабилизацией рРНК. Предполагается, что стабилизация рРНК определяется укреплением молекулы за счёт катионов магния, в тоже время весьма вероятно, что катионы магния стимулируют укорочение терминальной поли-А-последовательности, определяющей стабильность и трансляционную активность мРНК, через усиление прочности определённых структур мРНК, определяющих скорость её деаденилирования. Такой структурой может быть шпилька в 3"-нетранслируемой области мРНК, с которой взаимодействуют белки, деаденилирующие мРНК .
Эта принципиально важная гипотеза требует детальной экспериментальной проверки.
Об особенностях молекулярной биологии озимой мягкой пшеницы сорта Безостая 1
«Генотип должен превалировать над средой».
Н.И. Вавилов
Одним из часто встречающихся, довольно досадным моментом при работе с РНК является их деградация в процессе хранения или манипулирования, даже в случае хорошо очищенных препаратов. Обычно это связывают с наличием РНКаз, занесенных с посудой и реактивами или попавших в препараты РНК в процессе выделения. Однако было показано, что применение мощного ингибитора РНКаз - диэтилпирокарбоната во время выделения РНК с последующей усиленной депротеинизацией полученных препаратов и использование растворов, реактивов и посуды, обработанной диэтилпирокарбонатом и протеиназой К, не приводит к полному предотвращению деградации РНК. Известно, что если все работы проводить с очищенным препаратом РНК при температуре 0-4оС, то указанной деградации не наблюдается. Следовательно, существует определенный оптимум условий для проявления данной РНКазной активности: РНК из животных клеток наибольшей деградации подвергаются при pH 8,5 в присутствии двухвалентных катионов: Ca++; Mg++ или Mn++..
В 90-е годы ХХ века было показано тождество закономерностей Mg-зависимого распада мРНК в живой клетке (in vivo) и в водных растворах (in vitro) . На протяжении последних сорока лет многие исследователи отмечали способность выделенной из клетки РНК разрушаться в присутствии катионов металлов . Но от внимания исследователей ускользал тот факт, что разрушение происходит по тем же законам, что и в живой клетке, отражая генетические особенности и физиологическое состояние организма. В фундаментальных науках всегда имел значение объект исследования. Удачность выбора объекта (или случай) определяет скорость и эффективность исследований, обширность и глубину полученной информации. Закономерности Mg-зависимого распада мРНК стали очевидными, когда объектами исследований оказались проростки двух сортов озимой мягкой пшеницы, контрастных по морозостойкости (высокоморозостойкий сорт Краснодарская 39 и среднеморозостойкий - Безостая 1).
Как показали исследования, норма реакции на закаливающие температуры у сорта Безостая 1 на молекулярном уровне относительно узка по всем компонентам белоксинтезирующей системы - от амплитуды изменения трансляционной активности полирибосом, длины поли-(А)-хвоста мРНК, стабильности мРНК до амплитуды колебаний электрофоретического спектра рРНК . Это происходит на фоне относительно высокого содержания катионов магния в зерне Безостой 1 и соответствует реальному районированию сортов: высоко морозоустойчивый сорт Краснодарская 39 (относительно низкое содержание магния в зерне) способен давать урожай вплоть до Самарской области, в то время как средне морозоустойчивый сорт Безостая 1 давал и даёт великолепные урожаи, но в относительно узкой южной полосе.
Особенности сорта Безостая 1 образно можно представить как глухонемого человека в группе пахарей. Товарищи отвлекаются на различные развлекательные и опасные аспекты жизни, а глухонемой пашет и пашет. Поэтому в конечном итоге выясняется, что он вспахал больше всех. Но это только при условии относительно благоприятных обстоятельств.
Этот вывод позволяет объективно понять природу феномена сорта Безостая 1 и, отталкиваясь от этих знаний, заложить основу понимания сакральных молекулярно-биологических процессов, лежащих в основе селекции и определяющих её будущие успехи. Таким образом, Безостая 1 фактом своего существования великолепно подтверждает вывод, сделанный Н.И. Вавиловым в 30-ых годах ХХ века: «Генотип должен превалировать над средой».
Фундаментальные исследования молекулярной биологии РНК сорта Безостая 1 привели к прикладным исследованиям, способствовали формированию элементов молекулярных основ теории морозоустойчивости и возможности разработки простых методов оценки морозоустойчивости сортов озимой мягкой пшеницы по содержанию нуклеиновых кислот и катионов магния в зрелом зерне .
В фундаментальном плане, эти исследования привели к открытию закономерностей Mg++-зависимого распада мРНК и рРНК in vitro (система ommp) . Это событие в методологии способствовало созданию фундамента для развития новой главы в молекулярной физиологии сельскохозяйственных растений, так как новые шаги в методологии, как правило, ведут за собой длинную цепь новых фактов, которые дополняют и изменяют научное мировоззрение, предоставляют принципиально новые возможности для практики.
Молекулярные маркеры (ДНК-овые, белковые) являются чрезвычайно эффективным инструментом генетических исследований растений. Однако их статичность не позволяет количественно оценить важнейшие свойства культурных злаков (например, стрессоустойчивость и фотопериодизм). Как познание электричества и развитие электротехники стало возможным только с появлением электродинамики на основе электростатики, так и статичные молекулярные маркеры должны быть существенно дополнены молекулярно-кинетическими маркерами, способными количественно оценить экспрессию основных регуляторных генов или дать интегральную характеристику всех экспрессирующихся генов определенного генотипа в конкретных условиях роста.
Весьма существенным шагом в познании природы самораспада мРНК стало установление факта вариабельности содержания катионов магния (Mg++) в РНК (рибосомной и матричной) в зависимости от генотипа (сорта) и условий окружающей среды. С практической точки зрения очень важным представляется использование этого показателя (количество катионов магния) для долгоживущей высокополимерной РНК зрелого зерна пшеницы в целях оценки степени морозостойкости сорта: чем выше содержание катионов магния, тем ниже морозостойкость сорта .
5. РНК-интерференция
В настоящее время многие проблемы практики решаются путём активного вмешательства в метаболизм живых организмов при помощи методов генной инженерии на основе явления РНК-интерференции, регулирующего экспрессию генов через усиление распада мРНК определённых генов .
Сейчас очевидно, что перестало быть проблемой установление первичной структуры гена, но всё ещё остаётся проблема, как узнать его функцию и как ею управлять. Первое десятилетие ХХI века ознаменовано стремительным прорывом в важнейшую биологическую проблему - регуляцию экспрессии генов с помощью явления РНК-интерференции и основанных на этом явлении методов "нокаутов" - техники, позволяющей выводить из строя экспрессию заранее выбранного гена, а затем смотреть, как это скажется на организме.
В 1998 году была обнаружена способность молекул двухцепочечных РНК (дцРНК), инъецированных в организм нематоды Caenorhabditis elegans, эффективно подавлять экспрессию гомологичных по нуклеотидной последовательности генов (явление РНК-интерференции).
Впоследствии те же эффекты дцРНК были отмечены у других животных, а также у растений, грибов и простейших.
В 2006 году Нобелевская премия в области биологии (по физиологии и медицине) присуждена американским учёным Эндрю Файру и Крейгу Меллоу за открытие явления РНК - интерференции, представляющей собой молекулярный механизм, контролирующий в живой клетке поток генетической информации через закономерный распад специфических мРНК и предоставляющий принципиально новые возможности регуляции экспрессии генов в практических целях .
Суть явления, механизм которого пока изучен очень слабо, состоит в том, что короткие (20-30 нуклеотидов) двуспиральные РНК определённой структуры вызывают распад мРНК мишени - гена, экспрессию которого необходимо подавить. Это широко распространённое в природе явление (по-видимому, от бактерий до млекопитающих) может эффективно использоваться для идентификации новых генов, выяснения их функциональной роли и управления их экспрессией in vitro и in vivo.
Исследования этого явления позволяют в настоящее время решать проблемы медицины (новый класс лекарств) и сельского хозяйства (новые пути создания зерна злаков с высокими питательными свойствами).
Работы по созданию высоколизиновых злаков на основе ряда мутаций, зерно которых отличалось повышенной питательной ценностью, потерпели неудачу. Это объясняется плейотропным действием мутаций типа мутации регуляторного гена opaque-2 в зерне кукурузы, когда дифференциальный распад мРНК под действием повышенной активности РНКаз приводит с одной стороны к положительным эффектам (повышенное содержание в зерне незаменимой аминокислоты - лизина), но с другой стороны к отрицательным эффектам - нарушение синтеза крахмала, определяющего физические свойства зерна (прочность) и урожай .
РНК-интерференция позволяет целенаправленно уничтожать мРНК, белки которых снижают содержание лизина в зерне (запасные белки, ферменты катаболизма аминокислот), не «задевая» при этом мРНК ферментов, ответственных за синтез крахмала.
Такой первый трансгенный сорт кукурузы LYD38 с повышенным содержанием лизина был выведен на рынок в 2005 году . Однако негативное общественное мнение, озабоченность возможным вредным влиянием генно-модифицированных продуктов на здоровье человека сдерживает развитие этого направления выхода в практику.
К тому же оказалось, что РНК-препараты слишком токсичны. Даже длины в 20-30 нуклеотидов недостаточно для полной селективности по отношению к целевой РНК, и среди миллиардов пар нуклеотидов в геноме обязательно найдутся другие мишени, связывание с которыми вызывает неприятные побочные эффекты.
Так в медицине те немногие препараты на основе РНК-интерференции, что дошли до рынка, были с него отозваны. Возможно, в будущем проблемы с неспецифичным связыванием РНК и недостаточной адресной доставкой будут решены и мы увидим больше модифицированных растений и животных, а также специфических препаратов на основе РНК-интерференции.
Принципиально новые, удивительные факты были получены китайскими исследователями из Нанкинского университета, которые обследовали 50 добровольцев и обнаружили в их крови и тканях микроРНК (РНК-интерференции) растительного происхождения.
Это и само по себе стало изрядной неожиданностью, поскольку до сих пор считалось, что все растительные ДНК и РНК, попадающие в организм человека с пищей, полностью разлагаются, разрушаются в процессе переваривания. Но еще большее удивление вызвал тот факт, что эти растительные микроРНК участвуют в регуляции метаболизма человека наравне с его собственными микроРНК. Это открытие заставляет совершенно по-новому взглянуть на роль питания в жизни человека: существует шесть классов питательных веществ - белки, жиры, углеводы, витамины, минеральные вещества и вода. Однако теперь выясняется, что еще и растительные микроРНК, судя по всему, оказывают на активность наших генов, а значит, и на наш обмен веществ, самое непосредственное воздействие. Это дает основание считать их седьмым классом питательных веществ.
В частности, было обнаружено у всех обследованных добровольцев в плазме крови и клетках печени микроРНК типа MIR168a. Весьма обильно эти молекулы присутствуют в рисе. Опыты на трансгенных мышах показали, что в организме человека MIR168a блокирует синтез чрезвычайно важного белка - так называемого клеточного рецептора липопротеинов низкой плотности. Этот белок самым непосредственным образом связан с транспортировкой холестерина и его расщеплением в печени. Таким образом, потребление риса в пищу не только обеспечивает организм человека пластическими веществами и энергией, но и регулирует активность одного из важных генов, влияя тем самым на обмен веществ и на здоровье человека. Ведь повышенный уровень содержания в крови липопротеинов низкой плотности увеличивает риск атеросклероза .
Как растительные микроРНК умудряются уцелеть в пищеварительном тракте человека и проникнуть оттуда в кровь, пока неясно. Возможно, что эти растительные микроРНК могут захватываться клетками эндотелия сосудов кишечной стенки. При этом мембраны эндотелиальных клеток формируют особые внеклеточные структуры, в которые, как в оболочку, заключаются микроРНК. В таких миниатюрных пузырьках, называемых экзосомами, микроРНК поступают в кровоток.
Это открытие позволяет по-новому объяснить лечебные свойства лекарственных трав, широко применяемых в традиционной китайской медицине. Собственно, идея использовать микроРНК в качестве биологически активного компонента лекарств обсуждается в фармацевтике уже давно. Но до сих пор все эксперименты упирались в одну неразрешимую проблему: как доставить микроРНК точно и целенаправленно в нужное место в организме. Исследования китайских учёных показали, что природа уже давно предусмотрительно создала такие пути и что функция пищи, очевидно, не сводится к одному лишь обеспечению организма пластическими веществами и энергией.
Заключение
Развитие исследований РНК, интенсивно начавшиеся в самом начале 80-ых годов XX века, привело к формированию концепцции «Мир РНК». В теоретическом отношении в контексте мировой научной концепции о рибозимах это способствует возможности в корне пересмотреть теорию происхождения жизни на Земле. Основой современной жизни является наследуемый биосинтез белков, который определяет все признаки ныне существующих организмов. В качестве центрального звена этого процесса биосинтеза белков выступает совокупность взаимодействующих друг с другом молекул РНК различных типов. Можно сказать, что совокупность молекул РНК - мир РНК - по-прежнему составляет ядро жизни. Современная жизнь - это РНК, передавшая часть свих генетических функций рождённому ею же полимеру - ДНК и синтезирующая белки для всеобъемлющего эффективного функционирования содержащих её компонентов - клеток и многоклеточных организмов .
В практическом плане необычные древние особенности РНК нашли в последнее время эффективные практические приложения. Исследования магний-зависимого самораспада РНК в водных растворах позволяют говорить о развитии молекулярно-кинетических маркёров, позволяющих количественно оценивать эффект взаимодействия «генотип-среда» у растений и животных. Изучение системы РНК-интерференции и её применения находится на самой ранней стадии, но этому открытию суждено сыграть в постгеномную эру такую же ключевую роль, какую открытие рестриктаз сыграло в эпоху возникновения генной инженерии и биотехнологии. Безусловно, трудностей на этом пути много. Но, ни одна не выглядит непреодолимой.
Литература
1) Алексеенко Ж.В. Дифференциальный распад мРНК злаков in vitro как молекулярно-кинетический маркёр эффекта взаимодействия «генотип-среда» // Автореф. дис. на соиск. степени канд. биол. наук. Краснодар. Кубанский агроуниверситет. 2003. 27с.
2) Бакалдина Н.Б., Алексеенко Ж.В., Плотников В.К. Холодоиндуцированные изменения стабильности мРНК субъединицы альфа фактора элонгации трансляции 1 у проростков пшеницы и ячменя // Физиология растений. 2001. т. 48, № 6. C. 879-885.
3) Бернал Д. Возникновение жизни, Мир, 1969, 391 с.
4) Григорович С. Вначале была РНК? В поисках молекулы первожизни // Наука и жизнь, 2004, №2, с.5-10.
5) Киль В.И., Бибишев В.А., Плотников В.К. Неспецифический прирост трансляционной активности полисом проростков пшеницы и ячменя под действием стрессов // Физиология растений, 1991, т. 38, вып. 4, С.730-735.
6) Колесова О. Удача не иначе // Газета «Поиск», 2014, № 23 (1305), с. 18.
7) Крицкий М.С., Телегина Т.А. Коферменты и эволюция мира РНК // Успехи современной биологии. 2004. Т. 44. С. 341-364.
8) Кузнецов В.В. РНК-интерференция. Использование метода для создания нокаутных организмов и клеточных линий // Биохимия. 2003. Т. 68. Вып. 10. С. 1301-1317.
9) Насонов А.И. Гетерогенность свойств основных РНК-компонентов белоксинтезирующей системы клетки в связи с биологическими особенностями зерновых культур. Дисс. ... канд. биол. наук, Саратов, ИБФРМ РАН, 2008. 145 с.
10) Насонов А.И. Гетерогенность свойств РНК зерновых культур. Связь с биологическими особенностями линий и сортов, Saarbruken, LAP Lambert Academic Publishing, 2010. 190 с.
11) Насонов А.И., Полежаев С.Л., Радуль А.П., Рядчиков В.Г., Плотников В.К. Взаимосвязь содержания катионов магния (Mg++), стабильности РНК и интенсивности метаболизма в клетках эукариот // Труды Кубанского государственного аграрного университета, 2008, № 2(11), С.104-110.
12) Насонов А.И., Евтушенко Я.Ю., Серкин Н.В., Плотников В.К. Особенности состава зерна среднеморозоустойчивых сортов ячменя // Труды Кубанского государственного аграрного университета, 2012, Т. 1, № 38, с. 104 - 106.
13) Насонов А.И., Степанов И.В., Евтушенко Я.Ю., Плотников В.К. Дифференциальная стабильность 25S и 18S рибосомной РНК растений // Труды Кубанского аграрного университета, 2012, т. 1., № 38, С. 121-125.
14) Плотников В.К. Стабильность мРНК как фактор регуляции экспрессии генов в клетках эукариот//Успехи современной биологии, 1992, т. 112, вып. 2, с. 186-199.
15) Плотников В.К. Генетико-физиологическая детерминация распада мРНК злаков in vitro//Успехи современной биологии, 2003, Т. 123, № 1, с. 98-109.
16) Плотников В.К. Биология РНК зерновых культур, Краснодар, Издательство «Эдви», 2009, 375 с.
17) Плотников В.К. Самое главное событие в биологии ХХ века // Журнал стресс-физиологии и биохимии, 2013, Т.9, № 2, С. 5-14.
18) Плотников В.К. Евгений Витальевич Ананьев (1947-2008). Письма в Вавиловский журнал. 2016. http: //www.bionet.nsc.ru/vogis/download/
history_of_Genetics/appx_4.pdf
19) Плотников В.К., НасоновА.И., Ладатко А.Г. Вариабельность содержания катионов магния (Mg++) в РНК проростков озимой мягкой пшеницы //Сборник статей по материалам конференции «Аминокислотное питание животных и проблема белковых ресурсов», (23 марта, 2004, Краснодар) Краснодар, 2005, с.349 - 352.
20) Плотников В.К., Насонов А.И., Кузембаева Н.А., Букреева Г.И., Каленич В.И., Беспалова Л.А. Особенности молекулярной физиологии озимой мягкой пшеницы сорта Безостая 1 // Сб. материалов международной конференции «Безостая 1 - 50 лет триумфа», Краснодар, 2005, с.212 - 220.
21) Плотников В.К., Насонов А.И., Иваненко Е.Е., Кузембаева Н.А., Букреева Г.И., Каленич В.И. Взаимосвязь морозостойкости озимой мягкой пшеницы с содержанием катионов магния в РНК // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии, Москва, 2008, Вып. 2, С. 89-92.
22) Плотников В.К., Евтушенко Я.Ю., Салфетников А.А., Репко Н.В., Насонов А.И. Биологические маркёры для селекции на морозоустойчивость озимых форм мягкой пшеницы и ячменя // Научный журнал КубГау, 2014, № 104, С. 1855-1887.
23) Плотников В.К., Салфетников А.А. 60 лет в строю: особенности молекулярной биологии озимой мягкой пшеницы сорта Безостая 1 // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета, 2016, № 118, С. 627-657.
24) Плотников В.К., Смирнова Е.В., Репко Н.В., Салфетников А.А. Сортоспецифичность действия трилона Б на прорастания семян озимого ячменя // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета, 2016, № 120, С. 706-729.
25) Рядчиков В.Г., Плотников В.К. Экспрессия генов эукариот при аминокислотном имбалансе, 2014, Краснодар, КубГАУ, 375 с.
26) Сковорода Г. Хорошо сказано // Газета «Поиск», 2016, №41.
...Подобные документы
Проблема происхождения жизни. Гипотеза А.И. Опарина о коацерватной стадии в процессе возникновения жизни. Этапы химической и предбиологической эволюции на пути к жизни. Гипотеза о роли малых молекул в первичном зарождении белково-нуклеиновых систем.
реферат , добавлен 02.01.2008
Пространственное упорядочение двухцепочечных молекул нуклеиновых кислот в результате "энтальпийной конденсации" и наноконструкции на основе этих молекул. Области применения наноконструкции на основе двухцепочечных молекул ДНК. Нуклеиновые кислоты.
курсовая работа , добавлен 15.12.2014
Основные виды нуклеиновых кислот. Строение и особенности их строения. Значение нуклеиновых кислот для всех живых организмов. Синтез белков в клетке. Хранение, перенос и передача по наследству информации о структуре белковых молекул. Строение ДНК.
презентация , добавлен 19.12.2014
Особенности применения метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для исследования нуклеиновых кислот, полисахаридов и липидов. Исследование методом ЯМР комплексов нуклеиновых кислот с протеинами и биологических мембран. Состав и структура полисахаридов.
курсовая работа , добавлен 26.08.2009
Нуклеотиды как мономеры нуклеиновых кислот, их функции в клетке и методы исследования. Азотистые основания, не входящие в состав нуклеиновых кислот. Строение и формы дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК). Виды и функции рибонуклеиновых кислот (РНК).
презентация , добавлен 14.04.2014
История изучения нуклеиновых кислот. Состав, структура и свойства дезоксирибонуклеиновой кислоты. Представление о гене и генетическом коде. Изучение мутаций и их последствий в отношении организма. Обнаружение нуклеиновых кислот в растительных клетках.
контрольная работа , добавлен 18.03.2012
Сведения о нуклеиновых кислотах, история их открытия и распространение в природе. Строение нуклеиновых кислот, номенклатура нуклеотидов. Функции нуклеиновых кислот (дезоксирибонуклеиновая - ДНК, рибонуклеиновая - РНК). Первичная и вторичная структура ДНК.
реферат , добавлен 26.11.2014
Понятие и особенности строения нуклеиновых кислот, их составные элементы и их внутреннее взаимодействие. Значение данных соединений в организме, история их открытия и основные этапы исследований. Длина молекул ДНК. Сущность принципа комплементарности.
презентация , добавлен 27.12.2010
Проблема происхождения жизни на Земле. Возможности существования жизни в других областях Вселенной. Креационизм. Теория стационарного состояния, самопроизвольного самозарождения, панспермии. Современные возрения на происхождение жизни на Земле.
реферат , добавлен 04.10.2008
Изучение физических и физико-химических процессов, лежащих в основе жизни. Рассмотрение структуры и свойств биологически важных молекул, межклеточного взаимодействия, передачи информации в каналах связи. Механизмы воздействия на организм факторов среды.
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, вероятность чего крайне мала.
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 сохранилось между ними как посредник.
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.
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.
Среди современных концепций зарождения жизни одно из доминирующих положений занимает теория РНК-мира . Попробуем разобраться, что же это такое.
Открытия в молекулярной биологии прошлого столетия привели человечество к пониманию устройства жизни на химическом уровне. Выяснилось, что основу жизнедеятельности любого организма составляют две группы веществ-биополимеров: белки и нуклеиновые кислоты.
Белки, чьи длинные, хитроумно свернутые цепи состоят из десятков и сотен последовательно связанных аминокислот, выполняют в клетке роль рабочих инструментов и универсального строительного материала. Белки-ферменты ускоряют и направляют все химические реакции, протекающие в клетке, формируя ее облик.
Но белки - временные инструменты, потребность в которых постоянно изменяется по ходу жизни организма. Для хранения же информации о белках, а значит, и о строении самого организма природа использует нуклеиновые кислоты - ДНК (дезоксирибонуклеиновую кислоту) и РНК (рибонуклеиновую кислоту). Эти длинные молекулы, построенные из сцепленных между собой четырех видов нуклеотидов, очень похожи по строению, но обладают разными свойствами. Две направленные в разные стороны цепи ДНК формируют жесткую и стабильную двойную спираль длиной в миллионы пар нуклеотидов. РНК же образует сравнительно короткие цепи, подверженные разнообразным химическим реакциям и заплетенные петлями сами на себя.
Структура молекулы ДНК. Изображение: Richard Wheeler / Wikimedia
Столь различная структура объяснила ученым принципиально разные функции ДНК и РНК. ДНК оказалась надежным, долговременным хранилищем информации о белках организма, а РНК - мобильным, коротко живущим переносчиком информации. Она синтезируется белками-полимеразами по ДНК-матрице и отвечает за расшифровку информации, записанной в ДНК, а также за сборку белков по ДНК-чертежу.
Весь этот ворох знаний был накоплен учеными к середине 60-х годов прошлого столетия, став предтечей настоящей биотехнологической революции. Но одновременно он поставил ученых, мучающихся над проблемой зарождения жизни, перед парадоксом.
Для существования первых «живых», то есть способных к размножению и самоподдержанию биохимических систем, достаточно ДНК, РНК и белка. С ролью РНК все вроде бы понятно - типичная молекула на побегушках, которая ничего толком не умеет и не решает, но необходима для переноса информации из ДНК и работы механизмов сборки белка. А вот белки и ДНК явно должны были занимать центральное место в картине доисторического мира.
Информация о структуре белков-катализаторов, умеющих все на свете, способна сохраняться, только будучи записанной в структуре ДНК. Одновременно стабильная ДНК, отлично сохраняя информацию, не способна на самостоятельные химические превращения, кроме, разве что, медленного распада. Что же появилось в эволюции раньше - умелые, короткоживущие белки или надежная, но беспомощная ДНК? Одно никак не может появиться без другого, а случайное одномоментное зарождение сложной ДНК-РНК-белковой самовоспроизводящейся системы казалось невероятным.
Тут взгляды ученых и обратились на РНК. РНК не стабильна и ужасно плохо хранит информацию, но все же хранит ее. А что если допустить, что заплетенные в витиеватые петли цепи РНК смогут работать наподобие белков-ферментов, катализируя, то есть ускоряя, биохимические реакции? Пусть они бы справлялись с этой задачей в сотни раз хуже белков, но гипотетически такие РНК-катализаторы могли бы устойчиво существовать и размножаться на поверхности древней Земли еще до появления белков и ДНК. А их химическая нестабильность была бы даже плюсом, приводя к бешеному темпу эволюции первобытной РНК-фауны.
Структура молекулы предшественника матричной РНК. Изображение: Vossman / Wikimedia
Смелая гипотеза оказалась пророческой, в начале 80-х были найдены первые рибозимы - биокатализаторы на основе РНК. Чуть позже ученые получили аптамеры - молекулы РНК, способные избирательно связывать определенные вещества . Оказалось, что РНК может выполнять работу как по биокатализу, так и по молекулярному распознаванию. Да, у нее это получается хуже, чем у белков, но все же получается.
С тех пор ученые не оставляют настойчивых попыток получить в лаборатории рибозим, способный к устойчивому копированию (репликации) молекул РНК любой структуры. Появившись на заре эволюции, аналогичный рибозим стал бы настоящим «ядром» гипотетического РНК-мира, а его получение было бы осязаемым подтверждением пока еще умозрительной гипотезы.
За годы исследований были получены рибозимы-лигазы, способные сшивать молекулы РНК между собой, и даже рибозимы-полимеразы, копирующие небольшие, однородные по своему нуклеотидному составу фрагменты РНК. Но на всех сложных, способных к биокатализу и молекулярному распознаванию последовательностях они упрямо буксовали, отказываясь работать.
И вот недавно в авторитетном журнале PNAS была опубликована статья о получении первого рибозима, уверенно копирующего РНК-матрицы любого нуклеотидного состава. В ходе экспериментов ученые подменили собой эволюцию: путем искусственного отбора в пробирке им удалось создать рибозим, копирующий РНК с недоступной ранее точностью.
Каждый из 24 раундов мутации-отбора начинался с копирования уже существующего фермента в биохимическом процессе, получившем название рибоПЦР. Эта реакция - аналог хорошо известной полимеразной цепной реакции (ПЦР), позволяющей за несколько часов синтезировать миллионы копий нужного фрагмента ДНК. Для того чтобы в системе появился материал для искусственного отбора, реакция была модифицирована в сторону уменьшения точности копирования. Частота ошибок достигала 10% в пересчете на отдельный нуклеотид. Благодаря этому запланированному случайному мутагенезу ученым удалось получить 10 14 (100 триллионов!) различных вариантов исходного рибозима. После завершения реакции мутантные рибозимы придирчиво отбирались учеными: в следующий раунд мутации проходили только самые быстрые и точные рибозимы, способные к наилучшему копированию матрицы.
После завершения этой кропотливой работы исследователи получили рибозим, названный 24-3 полимераза. Впервые в руки ученых попал рибозим, способный реплицировать небольшие цепи РНК любой последовательности. С его помощью удалось реплицировать несколько аптамеров. Затем неутомимой полимеразой был копирован каталитически активный рибозим-лигаза. Но настоящим достижением стало то, что с помощью 24-3 полимеразы удалось реплицировать одну из транспортных РНК. Эти крупные, хитро заплетенные в фигуру наподобие клеверного листа молекулы РНК переносят звенья-аминокислоты к месту сборки белковых цепей и являются важнейшим компонентом аппарата синтеза белка.
Скорость работы полученного рибозима оказалась крайне мала, а производительность несравнима с природными белками-полимеразами, но главное - он был получен, и он работает. Теперь для доказательства возможности существования древнего РНК-мира ученым остался последний шаг - создать рибозим, способный устойчиво реплицировать сам себя. Сделав его, человечество получит в пробирке колонию самокопирующихся молекул РНК - потенциальный аналог первой формы жизни на нашей планете.
Несколько месяцев работы позволили исследователям вплотную приблизиться к созданию искусственного прототипа первобытной жизни. Что же могло получится у естественного отбора за сотни миллионов лет? Еще никогда мы не были так близки к ответу на этот вопрос.
Рекомендуем также
Loading...