загрузка...

РНК-Мир

  • 16.06.2010 / Просмотров: 7596
    //Тэги: генетика   Гордон  

    Открытие принципа структурной организации – ДНК – дало ключ к механизму точного воспроизведения генного вещества. Но почему генетическая информация, записанная в ДНК, реализуется в виде белков не напрямую, а через посредство родственного полимера - рибонуклеиновую кислоту (РНК)? О предполагаемом древнем мире РНК как самодостаточном биологическом мире, в котором молекулы РНК функционировали как генетический материал, - доктор биологических наук Алексей Рязанов.

загрузка...







загрузка...

Для хранения и проигрывания видео используется сторонний видеохостинг, в основном rutube.ru. Поэтому администрация сайта не может контролировать скорость его работы и рекламу в видео. Если у вас тормозит онлайн-видео, нажмите паузу, дождитесь, пока серая полоска загрузки содержимого уедет на некоторое расстояние вправо, после чего нажмите "старт". У вас начнётся проигрывание уже скачанного куска видео. Подробнее

Если вам пишется, что видео заблокировано, кликните по ролику - вы попадёте на сайт видеохостинга, где сможете посмотреть этот же ролик. Если вам пишется что ролик удалён, напишите нам в комментариях об этом.


Расшифровка передачи


Алексей Рязанов. Начну с того, что расскажу, как
вообще появилось представление о мире РНК. Соб-
ственно, молекулярная биология началась ровно 50
лет назад. Потому что весной 53-го года была опубли-
кована статья Уотсона и Крика, где они установили
структуру двойной спирали ДНК. И, в общем-то, сразу
после этого стало понятно, как кодируется биологиче-
ская информация, и родилась центральная догма мо-
лекулярной биологии. Согласно этой догме, информа-
ция закодирована в ДНК, в генах. Потом эта информа-
ция перечитывается в РНК, затем – в белок. Вот та-
кая догма: ДНК – РНК – белок. И, согласно этой догме,
нуклеиновые кислоты, ДНК и РНК, несли информатив-
ную функцию, а остальные все функции были отведе-
ны белкам. Но на самом деле вскоре после открытия
структуры ДНК и установления центральной догмы мо-
лекулярной биологии стало ясно, что РНК, возможно,
имеет не только информативную функцию.
И вот здесь Александром Сергеевичем Спириным
и его учителем Андреем Николаевичем Белозерским
было сделано принципиальное открытие. В середине
50-х годов они изучали нуклеотидный состав РНК и
ДНК у разных бактерий. ДНК и РНК состоят из четырех
нуклеотидов. Это аденин, гуанин, цитозин и тимин. Но
соотношение этих нуклеотидов может сильно варьи-
роваться у разных организмов. Спирин и Белозерский,
изучая нуклеотидный состав ДНК у разных бактерий,
обнаружили сильную вариацию. То есть, у некоторых
видов бактерий было очень много Г и Ц, а у других бак-
терий было очень много А и Т. И также они в этих опы-
тах изучили нуклеотидный состав РНК. И обнаружили
удивительную вещь. Оказалось, что нуклеотидный со-
став у разных бактерий в ДНК сильно отличался. В то
время как нуклеотидный состав в PHK был более-ме-
нее постоянным.
И это, собственно, выглядело очень удивительно,
потому что считалось, что нуклеотидный состав РНК
должен отражать состав ДНК. И коль скоро оказалось,
что отсутствовала такая прямая корреляция, стало яс-
но, что основная масса РНК несёт какую-то другую
функцию. Не участвует непосредственно в переносе
информации от ДНК к белку. С другой стороны, ко-
гда они построили график состава нуклеотидов в РНК
и сравнили с составом ДНК в разных бактериях, ста-
ло ясно, что существует слабая корреляция. То есть,
отсюда следует, что существует небольшая фракция
РНК, которая действительно соответствует ДНК и ко-
торая является переносчиком информации между ДНК
и белками, но при этом основная масса РНК, очевид-
но, выполняла какую-то другую функцию – структур-
ную или функциональную. И на самом деле отсюда, по-
видимому, стоит начать отсчёт этой истории со всяки-
ми нетрадиционными функциями РНК, которая, в кон-
це концов, привела к идее рибозимов и идее РНК-ми-
ра.
Но здесь, я думаю, стоит сначала обсудить, отку-
да взялась идея рибозимов и РНК-ферментов. Я, ко-
гда был ещё студентом, собственно, наблюдал всю эту
историю с самого начала. Потому что это всё произо-
шло сравнительно недавно, в начале 80-х годов. Я то-
же интересовался происхождением жизни и в какой-то
момент понял, что на самом деле центральным вопро-
сом в происхождении жизни является вопрос о том, как
нуклеиновые кислоты, информация, которая находит-
ся в нуклеиновых кислотах, переводится в информа-
цию белковую. И возникла тогда такая идея, что, воз-
можно, те белки, которые устанавливают соответствие
между аминокислотами и нуклеотидами, на самом де-
ле являлись не чисто белками, а состоят из белковой
части и нуклеиновой части. И я стал собирать инфор-
мацию о разных ферментах, которые были белками,
но при этом содержали в себе нуклеиновые кислоты.
И в литературе было несколько таких примеров.
Во-первых, Сидни Олдман в Йельском университете
показал, что есть такой фермент, который специфиче-
ски расщепляет определённую РНК и этот фермент со-
стоит из белковой части и части, представленной РНК.
Тогда этому большого значения никто не придал, но,
тем не менее, были такие данные. Потом в Институ-
те биохимии имени Баха Анна Николаевна Петрова из-
учала фермент амилаза. Это ветвящийся фермент, ко-
торый ответственен за формирование гликогена. И то-
же обнаружилось, что этот фермент в своём составе
содержит РНК. В самом начале 80-х годов появилась
работа Томаса Чака, который показал, что есть РНК,
которые могут сами себя разрезать. И, собственно, это
было открытием ферментативной активности у РНК.
И с тех пор было показано, что существует очень
много разных ферментов, разных информативных ак-
тивностей у РНК. То есть, стало очевидным, что РНК
может обладать теми же свойствами, что и белки. И
на самом деле здесь самое интересное следствие это
то, что история с открытием рибозимов или РНК-фер-
ментов привела к совершенно новой концепции про-
исхождения жизни. Поэтому, я думаю, сначала стоит
обсудить, какие вообще существовали теории проис-
хождения жизни, и как открытие РНК-ферментов пре-
образило эту область. Наиболее научная теорией про-
исхождения жизни была теория Александра Иванови-
ча Опарина, которую он высказал в 20-е годы.
На этой картинке вы видите общую схему концепции
Опарина. Он предполагал, что аминокислоты могут
собираться в полипептиды, полипептиды могут соби-
раться в белки. И далее эти белки могут агрегировать в
так называемые коацерваты. И идею эту он заимство-
вал из коллоидной химии. Центральной идеей Опа-
рина было то, что на каком-то этапе эволюции белки
или какие-то сложные полимеры смогли обособиться
от окружающей среды. И возникла идея этих коацер-
ватов, то есть таких капель внутри раствора колло-
идных частиц, которые могли накапливать различные
биополимеры и могли расти, и могли как-то делиться.
Но центральной проблемой здесь являлась проблема
наследственности. Если даже какая-то новая функция
возникла в таких каплях, непонятно, как она могла со-
храниться, как она могла передаться потомству. Даже
если эти капли могли расти и делиться. И, конечно, в
общем-то, Опарин считал, что центральную роль в эво-
люции этих первых протоклеток играли белки, потому
что в то время считалось, что только белки могут об-
служивать метаболизм, могут выполнять каталитиче-
ские функции. Но белки, к сожалению, не могут в отли-
чие от нуклеиновых кислот. Поэтому когда обнаружи-
ли, что РНК может тоже выполнять те же функции, что
и белки, катализировать химические реакции, фермен-
тативные реакции, то, соответственно, сразу возникла
идея, что, может быть, жизнь началась не с белков, а
именно с РНК.
И вот в последние годы академик Спирин разрабо-
тал новую концепцию происхождения жизни, в кото-
рой он сделал ряд предположений о том, как молеку-
лы РНК могли, в конце концов, самоорганизоваться до
такого уровня, чтобы стать живыми клетками.
Александр Гордон. Да, только у меня сразу возни-
кает вопрос: а куда тогда девать ДНК, если РНК может
выполнять функции и ДНК и белка – саморепликацию
и ферментативную деятельность?
Алексей Рязанов. Здесь так же, как с белками. То есть, РНК может
выполнять и репликативные функции и ферментатив-
ные функции, но ферментативные функции белки вы-
полняют лучше. То же самое и с ДНК. Для хранения
генетической информации ДНК лучше.
Александр Гордон. Чем РНК?
Алексей Рязанов. Да.
Александр Гордон. Но, в принципе, РНК…
Алексей Рязанов. В принципе, РНК может делать то, что ДНК, и
то, что белки.
Александр Гордон. Вернёмся к спиринской теории возникновения
жизни. Не очень понятно, с чего всё началось, то есть
каким образом возникла РНК и реплицировала сама
себя.
Алексей Рязанов. Очевидно, что в какой-то момент должны были
возникнуть рибонуклеотиды. И хотя существует мас-
са опытов, где было показано, что абиогенно можно
получить простейшие аминокислоты, можно получить
довольно сложные органические соединения, но всё-
таки нуклеотиды никто не смог получить абиогенным
путём. Поэтому всё это ещё остаётся загадкой. Но, по
крайней мере, здесь нет никаких принципиальных про-
блем, можно вполне себе представить, что это могло
произойти. Мы просто не знаем, как это происходило.
Потом в следующий момент эти нуклеотиды должны
были соединиться в полимерную цепь, должны были
образоваться олигонуклеотиды, которые потом долж-
ны были удлиняться. Здесь существует ряд проблем.
Во-первых, непонятно, как синтезировались нуклео-
тиды. Непонятно, как эти нуклеотиды соединялись
друг с другом, как образовывались олигонуклеотиды.
И, наконец, очень важная проблема: непонятно, отку-
да бралась энергия. Дело в том, чтобы такая систе-
ма устойчиво работала, необходимо постоянное по-
ступление энергии. Потому что даже если у вас слу-
чайно в какой-то момент синтезировался олигонуклео-
тид, но если у вас нет механизма подачи энергии, то
вы не можете такую реакцию повторять многократно.
Поэтому существует проблема нуклеотического цикла.
Сразу скажу, что чётких ответов на эти вопросы нет.
Хотя некоторые недавние работы, проведённые в Ин-
ституте белка Александром Четвериным, как раз дают,
по крайней мере, ответ на вопрос: как могли бы обра-
зовываться длинные полинуклеотиды и как они могли
эволюционировать.
Четверин показал, что существует спонтанная реак-
ция – рекомбинация. То есть в растворе молекулы РНК
могут обмениваться своими участками. И в результа-
те они могут удлиняться. И вот это, в принципе, объяс-
няет, как могли бы образовываться длинные молекулы
РНК. И, кроме того, из-за того, что молекулы РНК могут
постоянно спонтанно обмениваться своими участками,
также можно объяснить, как могли возникнуть разные
варианты РНК. То есть, как могла возникнуть не просто
информация, а полезная информация, но с продолже-
нием.
Конечно, здесь надо допустить, что был какой-то ме-
ханизм селекции, отбора таких молекул. По крайней
мере, можно сейчас себе представить, что, в принци-
пе, могли как-то абиогенно образоваться нуклеотиды,
они могли собираться в более длинные нуклеотиды. И
такие нуклеотиды могли эволюционировать.
Другое интересное открытие тоже было сделано ла-
бораторией Четверина. Было показано, что РНК мо-
гут образовывать колонии. Вот также как микробиоло-
ги выращивают колонии бактерий, то точно также мож-
но вырастить колонии РНК. Можно из одной молекулы
РНК вырастить с помощью фермента, который будет
считывать копии этой молекулы РНК, целую колонию
РНК. Более того, поскольку сейчас уже известно, что
таким ферментом может являться сама РНК, то мож-
но вполне себе представить, что могут расти колонии
РНК, катализируемые самими РНК. Это изображено на
следующей картинке.
Александр Гордон. Получается замкнутый цикл.
Алексей Рязанов. Да. К сожалению, пока ещё не показано, что
можно выращивать колонии РНК с помощью только
РНК. Но, по крайней мере, показано, что это можно
делать с помощью белкового фермента. Но принципи-
ально никакого запрета нет. И, таким образом, мы уже
получаем что-то очень похожее на живую систему. То
есть, мы получаем сложные молекулы, которые могут
расти в виде колоний. И на самом деле, как предпола-
гает Спирин, поскольку РНК обладает самыми разны-
ми функциями, то могли возникать такие смешанные
колонии из разных РНК с различными функциями, ко-
торые, в принципе обладают всеми основными атри-
бутами живого. То есть, они обладают метаболизмом
и, благодаря тому, что они могут сами себя воспроиз-
водить, здесь возможна эволюция и наследование ка-
ких-то новых признаков.
Александр Гордон. Но в такой довольно замкнутой системе, где РНК
самопроизводится, да ещё являясь ферментом, с тру-
дом можно представить себе механизм эволюции.
Алексей Рязанов. Да, давайте посмотрим на следующую картин-
ку. Это как раз, вы знаете, очень интересный вопрос,
потому что действительно непонятно, как в такой си-
стеме возникнет разнообразие. И вот здесь, пожалуй,
центральная идея в концепции Спирина заключается в
следующем. Конечно, если мы возьмём отдельную ко-
лонию или даже группу колоний, то трудно себе пред-
ставить, чтобы из этого возникло что-то новое даже на
протяжении миллионов лет.
Хотя – если допустить, что такие колонии существо-
вали в масштабе всей Земли, то есть эта идея похожа
на…
Александр Гордон. Коацерватный бульон?
Алексей Рязанов. Нет, это даже более радикальная идея. То есть,
если у вас существовали так называемые лужи или ла-
гуны, или какие-то небольшие озерца, в которых были
молекулы РНК, и всё это происходило в масштабе всей
планеты, то вполне можно допустить, что чередование
высыхания таких водоёмов и потом последующего за-
полнения водой, могло приводить к тому, что у вас че-
редовались циклы селекции и циклы воспроизведения
этих молекул РНК.
Когда эти молекулы находились в растворе, это со-
общество РНК себя воспроизводило. Когда же эти
озерца высыхали, то на их влажной поверхности обра-
зовывалась колония РНК – те самые колонии, которые
открыл Четверин. И эти колонии могли как-то между со-
бой конкурировать, тут возникал некий отбор и потом,
когда снова эти лагуны заполнялись водой, то уже эти
отобранные колонии начинали воспроизводиться. То
есть здесь идея такая, что существовали сообщества
РНК, в которых происходил постоянный обмен инфор-
мацией. И здесь на самом деле эволюция могла идти
довольно быстро. Потому что, как мы теперь знаем,
существует спонтанная рекомбинация РНК. То есть,
отдельные молекулы РНК могут обмениваться частя-
ми, они могут воспроизводиться. То есть, оказывается,
что в мире РНК возможны очень сложные преобразо-
вания, которые вообще уже выглядят как живой орга-
низм. Хотя, конечно, здесь всё очень неточно. Поэто-
му упорядоченную эволюцию в такой системе предста-
вить сложно. Но, тем не менее, можно представить.
Да, но зато какое преимущество у такой системы.
Здесь существует непрерывный обмен генетическим
материалом и обмен информацией, и в принципе,
здесь довольно быстро могли возникнуть какие-то со-
вершенно новые функции.
Александр Гордон. Однако здесь столько много белых пятен, что
сейчас трудно даже представить себе… Ну, хорошо.
Предположим, что колония РНК живёт и побеждает.
Есть обмен информацией, есть отбор более ценной
информации, есть обмен уже отобранной информа-
ции. Тогда зачем, на каком этапе, с какой целью по-
является ДНК?
Алексей Рязанов. Это на самом деле, вопрос несложный. Гораздо
более сложный вопрос – это понять, как из таких сооб-
ществ РНК могли возникнуть клетки. И, конечно, надо
понять, каким образом в этих колониях РНК появился
синтез белка.
Но одно сейчас очевидно, что действительно на ка-
ком-то этапе существовал мир РНК. Потому что это не
теоретические рассуждения, это действительно вид-
но из всей молекулярной биологии. Во-первых, ока-
залось, что рибосома, основная молекулярная маши-
на, которая, собственно, синтезирует белок, состоит
в основном из РНК. В рибосоме РНК играет не толь-
ко структурную роль, но и функциональную роль. То
есть, сейчас уже очевидно, что главная каталитиче-
ская функция рибосомы – катализ синтеза полипепти-
да – выполняется исключительно РНК. То есть, белки в
рибосоме выполняют вспомогательную роль. И суще-
ствует ряд других указаний на то, что на самом деле
более древними молекулами являются РНК, а не бел-
ки.
Теория Спирина о сообществах РНК и этом «со-
лярисе» очень хорошо соответствует современным
представлениям о том, как выглядел предшественник
всех живых организмов. Сейчас можно изучать эволю-
цию нуклеотидных и белковых последовательностей и,
сравнивая последовательность одних и тех же белков
в разных организмах, построить эволюционное дере-
во. То есть, выяснить, кто от кого произошёл. И, в част-
ности, для этого использовались обычно очень консер-
вативные последовательности.
Например, последовательности рибосомных РНК.
Потому что рибосомы и рибосомная РНК есть во всех
организмах и все эти рибосомные РНК похожи. Но всё-
таки они немножко отличаются.
Есть такой учёный Карл Вуз в Америке, который
когда-то просто стал сравнивать последовательности
разных РНК. В то время считалось, что есть бактерии,
и есть эукариоты. То есть, все остальные животные,
растения, грибы. И когда он стал изучать последова-
тельности разных бактерий и эукариот, то оказалось,
что существуют не две ветви у этого дерева, а три ве-
тви. То есть, среди бактерий оказались такие бактерии,
которые отстоят эволюционно также далеко от других
бактерий, как эукариоты. И таким образом, были от-
крыты архебактерии.
И вот недавно Карл Вуз задался вопросом, как вы-
глядела самая первая клетка. Потому что, в принци-
пе, по этому эволюционному дереву можно примерно
представить себе, кто появился раньше – бактерии или
эукариоты. Оказалось, что это очень сложно. И вот,
анализируя различные данные, Вуз пришёл к выводу,
что первый организм не являлся клеткой. Что это, ско-
рее то, что он назвал прогенотом или протоорганиз-
мом, очень похожим на спиринский «солярис» сообще-
ства РНК. То есть, это сообщество макромолекуляр-
ных комплексов, которые могут сами себя воспроизво-
дить, хотя делают это очень неточно. И могут обмени-
ваться генетической информацией. И согласно Вузу, и
согласно Спирину, клетки возникли именно из такого
сообщества.
Александр Гордон. Всё-таки, в чем принципиальное различие суще-
ствования клетки, как организма, и колонии РНК в этом
«солярисе», как вы его называете?
Алексей Рязанов. Конечно, в клетках будет и классический дар-
виновский отбор. Потому что, если в клетке возник ка-
кой-то новый признак, который закреплён в генах, он
будет отбираться и наследоваться. В этих колониях та-
кого жесткого наследования нет. Там если что-то воз-
никло, оно может и потеряться. Но зато за счёт вот это-
го горизонтального переноса генетической информа-
ции…
Александр Гордон. Будет большое количество комбинаций.
Алексей Рязанов. Да, большое количество комбинаций может воз-
никнуть за достаточно короткое историческое время.
А мы теперь знаем, что жизнь возникла довольно бы-
стро. То есть, если Земля возникла примерно четыре
миллиарда лет назад, то жизнь явно уже существовала
три с половиной миллиарда лет назад. То есть, жизнь
возникла за 500 миллионов лет. Поэтому идея «соля-
риса» РНК на самом деле хорошо объясняет, как могла
быстро возникнуть жизнь.
Александр Гордон. Предположим, что РНК-мир, который ещё пока
не нуждается ни в РНК, ни в собственно белке, суще-
ствовал энное количество миллионов лет. После этого
произошло нечто, что заставило белок, эту колонию,
синтезировать белок, образовать клетку, пошла эволю-
ция клетки. Стала необходимой уже не спонтанная пе-
редача генетической информации, а достаточно точ-
ная. И вот появляется на сцене ДНК. Откуда она по-
является и как?
Алексей Рязанов. Вот этого я тоже не могу вам сказать – откуда
она появляется и как – но она возникла, несомненно,
из РНК. И, кстати, есть много указаний на то, что ДНК
вторична.
Александр Гордон. Ну, хорошо. Опять вопрос может быть не к вам,
а к Господу Богу. Если ДНК возникло из РНК, то поче-
му РНК (передав ДНК функции, то есть выстроив ДНК
в достаточно жёсткой функциональной схеме) оста-
лась? Почему ДНК, возникнув, не взяла на себя все
функции РНК, в том числе и производство белков?
Алексей Рязанов. ДНК не совсем удобна для выполнения каких-то
структурных функций, чтобы создавать какие-то уни-
кальные структуры. Для этого РНК гораздо лучше при-
способлена. И уж совсем ДНК не может выполнять
ферментативные функции, потому что опять же для то-
го, чтобы были ферментативные функции, нужна спо-
собность создавать уникальные сложные структуры со
сложной поверхностью и какими-то специфическими
участками. То есть, что умеют делать белки и РНК, но
не ДНК. РНК осталась, потому что как раз эти функции
нельзя было передать ДНК.
Другое дело, что многие ферментативные функции
можно передать белкам. И действительно мы видим,
что основная масса ферментов – это белки. Но, тем
не менее, РНК сохраняется. И, кстати, вот ещё одно
интересное, совсем недавнее свидетельство того, что
РНК-мир не исчез, что он в нас присутствует.
Секвенирование геномов, то есть определение по-
следовательности ДНК у разных организмов, привело
к ряду интересных наблюдений. Во-первых, когда се-
квенировали геном мыши в прошлом году, в нём, как и у
человека, нашли между тридцатью и сорока тысячами
белковых генов. Но оказалось, что существует больше
десяти тысяч генов, которые кодируют РНК, которые
никогда в белок не превращаются, не транслируются
в белок. То есть, многие из этих РНК оказались эволю-
ционно консервативными. Оказалось, что они есть и у
человека, и у крысы. То есть у нас, у млекопитающих,
у людей существует целый мир РНК, о котором мы ни-
чего не знаем. Возможно, это какие-то рибозимы, воз-
можно они играют ещё какую-то роль, но, оказывает-
ся, существуют тысячи молекул РНК, функции которых
мы не знаем. Так что внутри нас существует целый мир
РНК, который мы только начинаем изучать.
Александр Гордон. Для экспериментального подтверждения этой
теории, кроме миллионов лет, что необходимо? Навер-
няка возможно создать такие условия, когда фактор
времени будет не столь важным? Каким-то образом ка-
тализировать этот процесс?
Алексей Рязанов. Да, здесь, на мой взгляд, есть ряд вполне ре-
альных экспериментов. Например, можно попытаться
создать такой рибозим, такой фермент, который бы со-
стоял из РНК и который мог бы синтезировать новые
молекулы РНК. То есть, научиться выращивать коло-
нии РНК, не используя белки. Вот если бы это удалось,
это был бы…
Александр Гордон. Замкнутый цикл.
Алексей Рязанов. Да. Это было бы очень серьёзным доказатель-
ством существования РНК-мира.
Александр Гордон. Тогда, может быть, сделать вот что… Мы не так
давно говорили о космических экспедициях в поисках
жизни – может быть, искать не готовые образцы жизни
в виде клеток и так далее. Может быть искать те самые
колонии РНК, которые могут существовать на спутни-
ках Юпитера или Марсе?
Алексей Рязанов. Конечно, такие работы ведутся. Ищут не только
готовые формы жизни, не только клетки, а вообще лю-
бые биологические молекулы. Поэтому изучаются ме-
теориты…
Александр Гордон. От первых РНК, к РНК, которые мы носим в себе.
Вы сказали, что целый мир РНК существует и в нас, и в
других животных, и в растениях. А какую роль, помимо
установленной роли переносчика информации с ДНК и
синтезирования белков, они ещё могут играть в нашем
организме?
Алексей Рязанов. Несомненно, часть этих РНК участвуют в ка-
талитических процессах, то есть являются рибозима-
ми – таких немного. РНК входит в состав целого ряда
ферментов, важных ферментов. Например, есть РНК,
который входит в состав фермента теломераза. Это
фермент, который участвует в поддержании целост-
ности концов хромосом. РНК входит в состав частиц,
ответственных за транспорт белков, которые произво-
дятся на экспорт. Функции самые разнообразные…
Александр Гордон. А чем вы занимаетесь сейчас и как РНК связано
с этим?
Алексей Рязанов. Здесь я могу сказать вот что. Если вы помни-
те, когда мы с вами обсуждали, что же главное в ста-
рении, мы говорили, что очень важно воспроизводство
белков, обновление белков. И вот в геронтологии мно-
гие обсуждают – что же более важно? Скажем, повре-
ждение ДНК или повреждение белков в старении? И
вот совсем недавно, несколько месяцев назад мы об-
наружили совершенно неожиданную вещь. Оказалось,
что ключевым в старении, по крайней мере для нема-
тод, является повреждение РНК.
Александр Гордон. А как происходит повреждение РНК?
Алексей Рязанов. Мы ещё не знаем, но на самом деле в процессе
старения у нематод происходит массивное поврежде-
ние РНК, которое гораздо сильнее, чем повреждение
белка или повреждение ДНК.
Александр Гордон. То есть, РНК – это всё-таки основа.
Алексей Рязанов. Да, оказывается РНК – основа основ. Конечно,
мы не знаем – так ли это для человека, но, по крайней
мере, мы теперь точно знаем, что…
Александр Гордон. …для нематод это так. Но это совсем свежие
эксперименты, буквально сегодняшнего дня. А дальше
логика развития этих экспериментов какая?
Алексей Рязанов. Естественно, будем выявлять конкретный меха-
низм: почему это происходит и можно ли это предот-
вратить?..

Материалы к программе


Из статьи: А. С. Спирин. Биосинтез белков, мир РНК и происхождение жизни//Вестник РАН. 2001.Т. 71. № 4.
Почти полвека тому назад, в 1953 г., Д. Уотсон и Ф. Крик открыли принцип структурной (молекулярной) организации генного вещества — дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Структура ДНК дала ключ к механизму точного воспроизведения — редупликации — генного вещества. Так возникла новая наука — молекулярная биология. Была сформулирована так называемая центральная догма молекулярной биологии: ДНК — РНК — белок. Смысл ее состоит в том, что генетическая информация, записанная в ДНК, реализуется в виде белков, но не непосредственно, а через посредство родственного полимера — рибонуклеиновую кислоту (РНК), и этот путь от нуклеиновых кислот к белкам необратим. Таким образом, ДНК синтезируется на ДНК, обеспечивая собственную редупликацию, то есть воспроизведение исходного генетического материала в поколениях; РНК синтезируется на ДНК, в результате чего происходит переписывание, или транскрипция, генетической информации в форму многочисленных копий РНК; молекулы РНК служат матрицами для синтеза белков — генетическая информация транслируется в форму полипептидных цепей. В специальных случаях РНК может переписываться в форму ДНК («обратная транскрипция»), а также копироваться в виде РНК (репликация), но белок никогда не может быть матрицей для нуклеиновых кислот.
Итак, именно ДНК определяет наследственность организмов, то есть воспроизводящийся в поколениях набор белков и связанных с ними признаков. Биосинтез белка является центральным процессом живой материи, а нуклеиновые кислоты обеспечивают его, с одной стороны, программой, определяющей весь набор и специфику синтезируемых белков, а с другой — механизмом точного воспроизведения этой программы в поколениях. Следовательно, происхождение жизни в ее современной клеточной форме сводится к возникновению механизма наследуемого биосинтеза белков.
БИОСИНТЕЗ БЕЛКОВ. Центральная догма молекулярной биологии постулирует лишь путь передачи генетической информации от нуклеиновых кислот к белкам и, следовательно, к свойствам и признакам живого организма. Изучение механизмов реализации этого пути на протяжении десятилетий, последовавших за формулировкой центральной догмы, вскрыло гораздо более разнообразные функции РНК, чем быть только переносчиком информации от генов (ДНК) к белкам и служить матрицей для синтеза белков.
Вот общая схема биосинтеза белка в клетке. РНК-посредник (messenger RNA, матричная РНК, мРНК), кодирующая белки, о которой и шла речь выше, — это лишь один из трех главных классов клеточных РНК. Основную их массу (около 80%) составляет другой класс РНК — рибосомные РНК, которые образуют структурный каркас и функциональные центры универсальных белок-синтезирующих частиц — рибосом. Именно рибосомные РНК ответственны — как в структурном, так и в функциональном отношении — за формирование ультрамикроскопических молекулярных машин, называемых рибосомами. Рибосомы воспринимают генетическую информацию в виде молекул мРНК и, будучи запрограммированы последними, делают белки в точном соответствии с данной программой.
Однако, чтобы синтезировать белки, одной только информации или программы недостаточно — нужен еще и материал, из которого их можно делать. Поток материала для синтеза белков идет в рибосомы через посредство третьего класса клеточных РНК — РНК-переносчиков (transfer RNA, транспортные РНК, тРНК). Они ковалентно связывают — акцептируют — аминокислоты, которые служат строительным материалом для беЛков, и в виде аминоацил-тРНК поступают в рибосомы. В рибосомах аминоацил-тРНК взаимодействуют с кодонами — трехнуклеотидными комбинациями — мРНК, в результате чего и происходит декодирование кодонов в процессе трансляции.
РИБОНУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ. Итак, перед нами набор главных клеточных РНК, определяющих основной процесс современной живой материи — биосинтез белка. Это мРНК, рибосомные РНК и тРНК. РНК синтезируются на ДНК с помощью ферментов — РНК-полимераз, осуществляющих транскрипцию — переписывание определенных участков (линейных отрезков) двутяжевой ДНК в форму однотяжевой РНК. Участки ДНК, кодирующие клеточные белки, переписываются в виде мРНК, тогда как для синтеза многочисленных копий рибосомной РНК и тРНК имеются специальные участки клеточного генома, с которых идет интенсивное переписывание без последующей трансляции в белки.
Химическая структура РНК. Химически РНК очень похожа на ДНК. Оба вещества — это линейные полимеры нуклеотидов. Каждый мономер — нуклеотид — представляет собой фосфорилированный N-гликозид, построенный из остатка пятиуглеродного сахара — пентозы, несущего фосфатную группу на гидроксильной группе пятого углеродного атома (сложноэфирная связь) и азотистое основание при первом углеродном атоме (N-гликозидная связь). Главное химическое различие между ДНК и РНК состоит в том, что сахарный остаток мономера РНК — это рибоза, а мономера ДНК — дезоксирибоза, являющаяся производным рибозы, в котором отсутствует гидроксильная группа при втором углеродном атоме.
Азотистых оснований и в ДНК, и в РНК четыре вида: два пуриновых — аденин (А) и гуанин (G) -и два пиримидиновых — цитозин (С) и урацил (U) или его метилированное производное тимин (Т).
Урацил характерен для мономеров РНК, а тимин — для мономеров ДНК, и это второе различие РНК и ДНК. Мономеры — рибонуклеотиды РНК или дезоксирибонуклеотиды ДНК — образуют полимерную цепь посредством формирования фосфодиэфирных мостиков между сахарными остатками (между пятым и третьим атомами углерода пентозы). Таким образом, полимерная цепь нуклеиновой кислоты — ДНК или РНК — может быть представлена как линейный сахаро-фосфатный остов с азотистыми основаниями в качестве боковых групп.
Макромолекулярная структура РНК. Принципиальное макроструктурное различие двух типов нуклеиновых кислот состоит в том, что ДНК — это единая двойная спираль, то есть макромолекула из двух комплементарно связанных полимерных тяжей, спирально закрученных вокруг общей оси, а РНК — однотяжевой полимер. В то же время взаимодействия боковых групп — азотистых оснований — друг с другом, а также с фосфатами и гидроксилами сахаро-фосфатного остова приводят к тому, что однотяжевой полимер РНК сворачивается на себя и скручивается в компактную структуру, подобно сворачиванию полипептидной цепи белка в компактную глобулу. Таким способом уникальные нуклеотидные последовательности РНК могут формировать уникальные пространственные структуры.
Впервые специфическая пространственная структура РНК была продемонстрирована при расшифровке атомной структуры одной из тРНК в 1974 г. Сворачивание полимерной цепи тРНК, состоящей из 76 нуклеотидных мономеров, приводит к формированию очень компактного глобулярного ядра, из которого под прямым углом торчат два выступа. Они представляют собой короткие двойные спирали по типу ДНК, но организованные за счет взаимодействия участков одной и той же цепи РНК. Один из выступов является акцептором аминокислоты и участвует в синтезе полипептидной цепи белка на рибосоме, а другой предназначен для комплементарного взаимодействия с кодирующим триплетом (кодоном) мРНК в той же рибосоме. Только такая структура способна специфически взаимодействовать с белком-ферментом, навешивающим аминокислоту на тРНК, и с рибосомой в процессе трансляции, то есть специфически «узнаваться» ими.
Изучение изолированных рибосомных РНК дало следующий разительный пример формирования компактных специфических структур из еще более длинных линейных полимеров этого типа. Рибосома состоит из двух неравных частей — большой и малой рибосомных субчастиц (субъединиц). Каждая субчастица построена из одной высокополимерной РНК и целого ряда разнообразных рибосомных белков. Длина цепей рибосомных РНК весьма значительна: так, РНК малой субчастицы бактериальной рибосомы содержит более 1500 нуклеотидов, а РНК большой субчастицы — около 3000 нуклеотидов. У млекопитающих, включая человека, эти РНК еще больше — около 1900 нуклеотидов и более 5000 нуклеотидов в малой и большой субчастицах соответственно.
Было показано, что изолированные рибосомные РНК, отделенные от их белковых партнеров и полученные в чистом виде, сами способны спонтанно сворачиваться в компактные структуры, по своим размерам и форме похожие на рибосомные субчастицы. Форма большой и малой субчастиц разная, и соответственно различается форма большой и малой рибосомных РНК. Таким образом, линейные цепи рибосомной РНК самоорганизуются в специфические пространственные структуры, определяющие размеры, форму и, по-видимому, внутреннее устройство рибосомных субчастиц, а следовательно, и всей рибосомы.
Минорные РНК. По мере изучения компонентов живой клетки и отдельных фракций тотальной клеточной РНК выяснялось, что тремя главными видами РНК дело не ограничивается. Оказалось, что в природе существует множество других видов РНК. Это, в первую очередь, так называемые «малые РНК», которые содержат до 300 нуклеотидов, часто с неизвестными функциями. Как правило, они ассоциированы с одним или несколькими белками и представлены в клетке в виде рибонуклеопротеидов — «малых РНП».
Малые РНК присутствуют во всех отделах клетки, включая цитоплазму, ядро, ядрышко, митохондрии. Большая часть тех малых РНП, функции которых известны, участвует в механизмах посттранскрипционной обработки главных видов РНК (RNA processing) — превращении предшественников мРНК в зрелые мРНК (сплайсинг), редактировании мРНК, биогенезе тРНК, созревании рибосомных РНК. Один из наиболее богато представленных в клетках видов малых РНП (SRP) играет ключевую роль в транспорте синтезируемых белков через клеточную мембрану. Известны виды малых РНК, выполняющих регуляторные функции в трансляции. Специальная малая РНК входит в состав важнейшего фермента, ответственного за поддержание редупликации ДНК в поколениях клеток — теломеразы. Следует сказать, что их молекулярные размеры сопоставимы с размерами клеточных глобулярных белков. Таким образом, постепенно становится ясно, что функционирование живой клетки определяется не только многообразием синтезируемых в ней белков, но и присутствием богатого набора разнообразных РНК, из которых малые РНК в значительной мере имитируют компактность и размеры белков.
Рибозимы. Вся активная жизнь построена на обмене веществ — метаболизме, и все биохимические реакции метаболизма происходят с надлежащими для обеспечения жизни скоростями только благодаря высокоэффективным специфическим катализаторам, созданным эволюцией. На протяжении многих десятилетий биохимики были уверены, что биологический катализ всегда и всюду осуществляется белками, называемыми ферментами, или энзимами. И вот 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 пришел конец.
В настоящее время рибосому тоже принято рассматривать как рибозим. Действительно, 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 транспептидации, посредством которой осуществляется наращивание полипептидной цепи белка в процессе трансляции.
Вирусные РНК. Кроме нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), организующих и обслуживающих жизнь клеточных организмов, в природе существуют паразитические молекулы ДНК и РНК. Одетые в защитную белковую оболочку, они называются вирусами. Соответственно, вирусы подразделяются на ДНК-содержащие и РНК-содержащие. Собственно в самих вирусных частицах никакой жизни нет — это просто способ упаковки, консервации и распространения внеклеточного генетического вещества. При попадании в живую клетку вирусная белковая оболочка сбрасывается, а генетическое вещество — нуклеиновая кислота — начинает функционировать как паразит, направляя жизнь клетки на синтез белков, ею кодируемых, и на репликацию самой себя. Так называемое «размножение» вирусов в клетке есть производство многочисленных копий вирусной ДНК или РНК путем репликации, с последующим их «одеванием» в оболочку из синтезированных клеткой вирусных белков.
Что касается репликации вирусных ДНК, то ее механизм мало чем отличается от редупликации генетического материала — ДНК — самой клетки. В случае же вирусных РНК реализуются процессы, которые подавлены или вовсе отсутствуют в нормальных клетках, где вся РНК синтезируется только на ДНК как на матрице. При инфекции РНК-содержащими вирусами ситуация может быть двоякой. В одних случаях на вирусной РНК как на матрице синтезируется ДНК («обратная транскрипция»), а уж на этой ДНК транскрибируются многочисленные копии вирусной РНК. В других, наиболее интересных для нас случаях на вирусной РНК синтезируется комплементарная цепь РНК, которая и служит матрицей для синтеза — репликации — новых копий вирусной РНК. Таким образом при инфекции РНК-содержащими вирусами реализуется принципиальная способность РНК детерминировать воспроизведение своей собственной структуры, как это имеет место у ДНК.
К РНК-содержащим вирусам примыкает другая группа молекулярных паразитов — вироиды. Это патогенные РНК, не содержащие и не кодирующие никаких белков, но тоже способные к репликации в живых системах. Тем самым вирусные и вироидные РНК демонстрируют способность РНК не только кодировать белки, но и служить полноценным воспроизводящимся генетическим материалом. Вирусы и вироиды часто рассматриваются как эволюционные реликты, и процесс репликации РНК без участия ДНК может отражать очень ранний этап эволюции жизни, когда ДНК еще не утвердилась в качестве специализированной формы хранения и воспроизведения генетической информации в поколениях клеток.
Мультифункциональность 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.
В целом РНК предстает перед нами столь удивительным полимером, что, казалось бы, ни времени эволюции Вселенной, ни интеллекта Творца не должно было бы хватить на ее изобретение. Как можно было видеть, РНК способна выполнять функции обоих принципиально важных для жизни полимеров — ДНК и белков. Неудивительно, что перед наукой и встал вопрос: а не могло ли возникновение и самодостаточное существование мира РНК предшествовать появлению жизни в ее современной ДНК-белковой форме?
ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ. Белково-коацерватная теория Опарина. Пожалуй, первая научная, хорошо продуманная теория происхождения жизни абиогенным путем была предложена биохимиком А. И. Опариным еще в 20-х годах прошлого века. Теория базировалась на представлении, что все начиналось с белков, и на возможности в определенных условиях спонтанного химического синтеза мономеров белков — аминокислот — и белковоподобных полимеров (полипептидов) абиогенным путем. Публикация теории стимулировала многочисленные эксперименты в ряде лабораторий мира, показавшие реальность такого синтеза в искусственных условиях. Теория быстро стала общепринятой и необыкновенно популярной.
Основным ее постулатом было то, что спонтанно возникавшие в первичном «бульоне» белковоподобные соединения объединялись в коацерватные капли — обособленные коллоидные системы (золи), плавающие в более разбавленном водном растворе. Это давало главную предпосылку возникновения организмов — обособление некой биохимической системы от окружающей среды, ее компартментализацию. Так как некоторые белковоподобные соединения коацерватных капель могли обладать каталитической активностью, то появлялась возможность прохождения биохимических реакций синтеза внутри капель — возникало подобие ассимиляции, а значит, роста коацервата с последующим его распадом на части — размножением. Ассимилирующий, растущий и размножающийся делением коацерват рассматривался как прообраз живой клетки.
Все было хорошо продумано и научно обосновано в теории, кроме одной проблемы, на которую долго закрывали глаза почти все специалисты в области происхождения жизни. Если спонтанно, путем случайных безматричных синтезов в коацервате возникали единичные удачные конструкции белковых молекул (например, эффективные катализаторы, обеспечивающие преимущество данному коацервату в росте и размножении), то как они могли копироваться для распространения внутри коацервата, а тем более для передачи коацерватам-потомкам? Теория оказалась неспособной предложить решение проблемы точного воспроизведения — внутри коацервата и в поколениях — единичных, случайно появившихся эффективных белковых структур.
Мир РНК как предшественник современной жизни. Накопление знаний о генетическом коде, нуклеиновых кислотах и биосинтезе белков привело к утверждению принципиально новой идеи о том, что все начиналось вовсе не с белков, а с РНК. Нуклеиновые кислоты являются единственным типом биологических полимеров, макромолекулярная структура которых, благодаря принципу комплементарности при синтезе новых цепей, обеспечивает возможность копирования собственной линейной последовательности мономерных звеньев, другими словами, возможность воспроизведения (репликации) полимера, его микроструктуры. Поэтому только нуклеиновые кислоты, но не белки, могут быть генетическим материалом, то есть воспроизводимыми молекулами, повторяющими свою специфическую микроструктуру в поколениях.
По ряду соображений 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.
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.
После того как были открыты каталитически активные РНК, идея первичности РНК в происхождении жизни получила сильнейший толчок к развитию, и была сформулирована концепция самодостаточного мира РНК, предшествовавшего современной жизни.
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 транс-эстерификации. 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 и эволюция последних в клеточные структуры — живые клетки.
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, но и она не претендует на законченность. Предлагаемая гипотетическая схема содержит два существенных момента, кажущихся принципиальными.
Во-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 со специализированными функциями. 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. 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. Но это уже следующая сказка… («И Шахразаду застигло утро, и она прекратила дозволенные речи».)

Библиография



Альтштейн А. Д. Происхождение генетической системы: гипотеза прогенов//Молекулярная биология. 1987. Т. 21
Опарин А. И. Происхождение жизни. М., 1924
Опарин А. И. Возникновение жизни на Земле. М., 1957
Спирин А. С. Современная биология и биологическая безопасность//Вестник РАН. 1997. № 7 Спирин А. С. Биосинтез белков, мир РНК и происхождение жизни//Вестник РАН. 2001.Т. 71. №4
Bartel D. P., Szostak J.W. Isolation of new ribozymes from a large pool of random sequences//Science. 1993. V. 261
Baserga S. J., Steitz J. A. The diverse world of small ribo-nucleoproteins//The RNA World/Ed. by R. F. Gesteland, J. F. Atkins. New York, 1993
Chetverina H. V., Demidenko A. A., Ugarov V.I., Chetverin A. B. Spontaneous rearrangements in RNA sequences//FEBS Letters. 1999. V. 450
Ekland E. H., Bartel D. P. RNA-catalysed RNA polymerization using nucleoside triphosphates//Nature. 1996 V. 382
Gilbert W. The RNA world//Nature. 1986. V. 319
Guerrier-Takada С., Gardiner К., Marsh Т. et al. The RNA moiety of ribonucleases P is the catalytic subunit of the enzyme//Cell. 1983. V. 35
Guerrier-Takada С., Gardiner К., Marsh Т. et al. The RNA moiety of ribonucleases P is the catalytic subunit of the enzyme//Cell. 1983. V. 35
Joyce G. F., Orgel L. E. Prospects for understanding the origin of the RNA world//The RNA World/Ed. by R. F. Gesteland, J. F. Atkins New York, 1993
Kirn S. H., Suddath F. L., Quigley G. J. et al. Three-dimensional tertiary structure of yeast phenylalanine transfer RNA//Science. 1974. V. 185
Kruger К., Grabowski PJ., Zaug AJ. et al. Self-splicing RNA: Autoexcision and autocyclization of the ribosomal RNA intervening sequence of Tetrahymena//Cell. 1982. V. 31
Orgel L. E. Evolution of the genetic apparatus//Journal of Molecular Biology. 1968. V. 38
Orgel L. E. The origin of life — a review of facts and speculations//Trends in Biochemical Sciences. 1998. V. 23
Robertas J. D., Ladner J. E., Finch J. T. et al. Structure of yeast phenylalanine tRNA at 3 A resolution//Nature. 1974. V. 250
Spirin A. S. On macromolecular structure of native high-polymer ribonucleic acid in solution//Journal of Molecular Biology. 1960. V. 2
Vasiliev V.D., Serdyuk I.N., Gudkov A. T., Spirin A. S. Self-organization of ribosomal RNA//Sturcture, Function and Genetics of Ribosomes/Ed. by B. Hardesty, G. Kramer. New York, 1986
Woese С. The evolution of the genetic code//The Genetic Code. New York, 1967 Тема № 254(30)

  • ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ РАЗДЕЛА:
  • РЕДАКЦИЯ РЕКОМЕНДУЕТ:
  • ОСТАВИТЬ КОММЕНТАРИЙ:
    Имя
    Сообщение
    Введите текст с картинки:

Интеллект-видео. 2010.
RSS
X