 |
 |
 |
gordon0030@yandex.ru
РНК-мир
19.05.2003 
34:37
Стенограмма эфираОткрытие 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.
Участник:
Алексей Рязанов — доктор биологических наук
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.
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 —
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 —
Химическая структура РНК. Химически РНК очень похожа на ДНК. Оба вещества — это линейные полимеры нуклеотидов. Каждый мономер — нуклеотид — представляет собой фосфорилированный
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
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
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
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,
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
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
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
К
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
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
ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ.
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
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.
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
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
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
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.
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
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
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
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.
Gilbert W. The RNA world//Nature. 1986. V. 319
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.
Kruger К., Grabowski PJ., Zaug AJ. et al.
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
Vasiliev V.D., Serdyuk I.N., Gudkov A. T., Spirin A. S.
Woese С. The evolution of the genetic code//The Genetic Code. New York, 1967
Тема № 254
Эфир 19.05.2003
Хронометраж 34:37
www.ntv.ru