Согласно гипотезе мира РНК, эта макромолекула изначально могла быть единственной ответственной за клеточную или доклеточную жизнь.
Происхождение жизни, часть 2: РНК-мир
Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории провели исследования, которые проливают свет на гипотезу РНК-мира. Согласно гипотезе мира РНК, на заре жизни за Земле молекулы РНК были как носителями наследственной информации, так и ферментами (рибозимами). Концепцию мира РНК впервые сформулировал в 1962 году Александр Рич (Alexander Rich), термин ввел в 1986 году Уолтер Гилберт (Walter Gilbert). Согласно гипотезе мира РНК, эта макромолекула изначально могла быть единственной ответственной за клеточную или доклеточную жизнь.
Американские ученые выявили новое объяснение возникновения жизни на Земле
| Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии - YouTube | Концепция РНК-мира, разработанная в России, получила новые подтверждения. |
| Тайна появления жизни на Земле | Одна из научных гипотез предполагает, что первоначально на Земле существовали несвязанные молекулы РНК, возможно, вместе с белками и другими органическими веществами. |
| РНК-мир: открыто происхождение жизни на Земле | Но окончательно гипотеза мира РНК смогла сформироваться лишь после открытия в 1981 году рибосомальной РНК из ресничного простейшего Tetrahymena, которая способна к автосплайсингу. |
| Обнаружены новые доказательства РНК-мира: Наука: Наука и техника: | Гипотеза РНК-мира — одна из самых популярных среди гипотез о происхождении жизни на Земле. |
| Тайна появления жизни на Земле | Сторонники гипотезы «мира РНК» указывают на две проблемы в этой теории. |
Молекулы РНК появились на Земле раньше молекул ДНК и белков
Ученые Брукхейвенской национальной лаборатории обнаружили новые доказательства гипотезы РНК-мира. Суть гипотезы РНК-мира заключается в том, что первые формы жизни на Земле могли состоять из РНК-молекул, способных к самовоспроизведению без помощи белковых ферментов. Альтернативная гипотеза называется гипотезой первичного майонеза и говорит о том, что липиды, то есть вещества, образующие мембраны, были с самого начала и окружали молекулы РНК.
Рибозим со свойствами РНК-полимеразы синтезировал функциональные молекулы РНК
В конце концов, был написан сценарий «Мир РНК», согласно которому сначала якобы образовалась РНК, содержащая информацию о белке, а затем и сам белок. Гипотеза мира РНК — Структура рибозима — молекулы РНК, выполняющей функцию катализа Мир РНК — гипотетический этап возникновения жизни на Земле, когда как функцию хранения генетической информации. Ученые Института биологических исследований Солка обнаружили доказательства гипотезы РНК-мира, согласно которой ключевым предшественником живых клеток стали самовоспроизводящиеся молекулы РНК. Они предложили гипотезу "мира РНК", которая предполагает, что возникновение жизни на Земле произошло путем усложнения РНК-молекул и их преобразования в молекулы ДНК и белки. Согласно гипотезе мира РНК, эта макромолекула изначально могла быть единственной ответственной за клеточную или доклеточную жизнь.
Рибозим со свойствами РНК-полимеразы синтезировал функциональные молекулы РНК
Исследования in vitro показывают, что для выделения молекул, способных к катализу, требуется около 1013—1014 молекул РНК [2] — довольно много для того, чтобы столь длинный рибозим мог появиться в готовом виде. Однако открытие коротких рибозимов ставит под сомнение идею того, что для появления РНК-катлизаторов требуются астрономические количества молекул. В самом деле, получены полирибонуклеотиды c активными дуплексами, способными к самовырезанию, имеющие длину лишь 7 остатков [2]. Более того, были получены данные, что даже рибозим, урезанный всего лишь до пяти нуклеотидов, сохранял свои ферментативные способности [2]. Но каталитическая активность у минирибозимов значительно ниже, чем у их более длинных «собратьев». Из этого следует, что короткие рибозимы могли быть эволюционными предшественниками длинных.
Рибозимные репликазы Для того, чтобы в мире РНК полирибонуклеотиды могли размножаться, должны были существовать рибозимные аналоги белковых полимераз. В современных живых организмах рибозимы с таким видом активности не обнаружены, однако подобные молекулы были созданы искусственно. Молекулярные биологи из Великобритании обратили внимание на ранее известный рибозим R18, обладающий полимеразной активностью [6]. Он и стал объектом эксперимента: путём искусственной эволюции и разумного планирования из исходного рибозима были получены четыре новые молекулы с улучшенными каталитическими свойствами [7]. Дело в том, что исходный рибозим R18 обозначен на картинке буквой А был способен реплицировать лишь фрагменты РНК длиной до 20 нуклеотидов.
Также им могла быть реплицирована далеко не каждая последовательность РНК, а лишь узкий круг определённых матриц [7]. Учёные пошли двумя путями: в одной серии экспериментов они пытались увеличить число оснований РНК, реплицируемых рибозимом. В результате были получены четыре новых рибозима с улучшенными свойствами. Один из них — рибозим С19, который учёные смогли усовершенствовать далее. Так был получен ещё более эффективный рибозим tC19 на рисунке под буквой С.
В другой серии экспериментов учёные смогли получить рибозим, чья полимеразная активность не так сильно зависела от нуклеотидной последовательности РНК-матриц [7]. В результате, полезные свойства рибозимов tC19 и Z удалось объединить в одном, названном tC19Z. Данный рибозим способен копировать как довольно широкий круг матриц, так и достаточно длинные последовательности [7]. Интроны, способные вырезаться самостоятельно, были обнаружены в тирозиновой тРНК таких сложных организмов, как человек и цветковое двудольное растение Arabidopsis thaliana. Эти 12-ти и 20-ти нуклеотидные участки в клетке вырезаются путём сплайсинга с участием белков, однако этот интрон показал способность вырезать самого себя и без участия ферментов.
РНК-переключатели Ограниченная каталитическая способность рибозимов часто становится ещё одним хлипким краеугольным камнем теории мира РНК. Критики теории считают, что тот минимум химических реакций, который необходим для осуществления метаболизма в мире РНК, не может быть обеспечен одними лишь рибозимами. Подавляющее большинство РНК-катализаторов катализируют лишь разрыв и создание фософодиэфирных связей между нуклеотидами. Кажется, что молекулы РНК со своими четырьмя весьма схожими мономерами безнадёжно проигрывают в химическом разнообразии белкам, которые имеют в своём составе 20 аминокислот, весьма различных по свойствам. Однако не стоит забывать, что многие белковые ферменты для выполнения активной работы должны присоединить лиганды — кофакторы , — без которых ферментативная активность попросту исчезает.
И здесь стоит вспомнить об РНК-перключателях или рибопереключателях англ. Что же это такое? Как известно, информация об аминокислотной последовательности белка передаётся в рибосому через мРНК. В данном случае, помимо самого гена, транскрибируется участок впереди него, на котором и расположен рибоперключатель [8]. РНК-переключатель представляет собой участок мРНК, способный связывать молекулу строго определённого вещества.
После связывания переключатель меняет свою пространственную конфигурацию, что делает невозможной дальнейшую транскрипцию [8]. Важно понимать принцип работы РНК-переключателей, поэтому скажем пару слов об их устройстве. Состоит он из двух частей: из аптамера и «экспрессионной платформы». Аптамер, по сути, является рецептором, который с очень высокой селективностью связывается с определённой молекулой. Эффекторной молекулой для аптамера является молекула, производимая белком, ген которого и регулируется переключателем.
Однако существуют и РНК-переключатели, действующие по более сложному механизму. Например, рибопереключатель, контролирующий транскрипцию гена metE бактерии Bacillus clausii, является двойным, то есть имеет два рецепторных участка, связывающих две разных молекулы [9]. Разберём данный механизм подробнее. Ген metE кодирует фермент, превращающий гомоцистеин в аминокислоту метионин. Затем метионин используется уже другим ферментом для синтеза S-аденозилметионина или проще — SAM.
Помимо гена metE, существует и другой ген — metН.
Они развились потом в ходе эволюции под действием естественного отбора. В 2009 году канадские биохимики из Монреальского университета, изучив основную составляющую рибосомы, молекулу 23S-рРНК, показали, каким образом из относительно небольших и простых рибозимов мог развиться механизм белкового синтеза. Молекула была подразделена на 60 относительно самостоятельных структурных блоков, основным из которых является каталитический центр пептидил-трансферазный центр, PTC, peptidyl-transferase centre , ответственный за транспептидацию синтеза белка. Было показано, что все эти блоки можно последовательно отсоединять от молекулы без разрушения её оставшейся части до тех пор, пока не останется один лишь транспептидационный центр. При этом он сохраняет способность катализировать транспептидацию. Если каждую связь между блоками молекулы представить в виде стрелки, направленной к тому блоку, который при отрыве разрушается, то такие стрелки не образуют ни одного замкнутого кольца.
Если бы направление связей было случайным, вероятность этого составляла бы менее одной миллиардной. Следовательно, такой характер связей отражает последовательность постепенного добавления блоков в процессе эволюции молекулы, реконструированном исследователями. Таким образом, у истоков жизни мог стоять сравнительно простой рибозим — PTC-центр молекулы 23S-рРНК, к которому затем добавлялись новые блоки, совершенствуя процесс синтеза белка. Чаще всего постулируется необходимость агрегирующих РНК мембран или размещения РНК на поверхности минералов и в поровом пространстве рыхлых пород.
Долгое время оставался вопрос о том, каким образом это свойство сохранялось в процессе биохимической эволюции. Путем разработки моделей исследователи выяснили, что случайные разрывы в простых молекулах РНК приводили к образованию коротких цепочек, действующих как праймеры для синтеза более длинных полимеров РНК. Такой неферментативный механизм приводил к образованию множества копий разрушенного полимера, аналогично регенерации червей, разрезанных на сегменты. Вторая модель предполагала добавление рибозимов, способных к спонтанному образованию и катализированию расщепления, к пулу полимерных РНК-цепочек, которые разрезались при столкновении.
Путём последовательного удвоения доз яда была выведена порода РНК, стойкая к очень высоким его концентрациям.
Всего в эксперименте сменилось 100 пробирочных поколений и намного больше поколений РНК, так как поколения сменялись и внутри каждой пробирки. Хотя в этом эксперименте РНК-репликаза добавлялась в раствор самими экспериментаторами, Оргел обнаружил, что РНК способны и к спонтанному самокопированию, без добавления фермента, правда, намного медленнее. Дополнительный эксперимент был позже проведён в лаборатории немецкой школы Манфреда Ейгена. Она была создана постепенно нарастающей эволюцией. После открытия каталитической активности РНК рибозимов их эволюция в автоматизированном устройстве под управлением компьютера наблюдалась в экспериментах Брайана Пегеля и Джеральда Джойса из Исследовательского института имени Скриппса в Калифорнии в 2008 году. Фактором, играющим роль давления отбора, являлась ограниченность субстрата, куда входили олигонуклеотиды, которые рибозим распознавал и присоединял к себе, и нуклеотиды для синтеза РНК и ДНК. При построении копий иногда случались дефекты — мутации — влияющие на их каталитическую активность для ускорения процесса несколько раз смесь подвергалась мутированию с помощью полимеразной цепной реакции с использованием "неточных" полимераз. По этому признаку и происходил отбор молекул: наиболее быстро копирующиеся молекулы быстро начинали доминировать в среде. За 3 суток каталитическая активность молекул за счёт всего 11 мутаций увеличилась в 90 раз.
Эти эксперименты доказывают, что первым молекулам РНК не нужно было обладать достаточно хорошими каталитическими свойствами. Они развились потом в ходе эволюции под действием естественного отбора. В 2009 году канадские биохимики из Монреальского университета К. Боков и С. Штейнберг, изучив основную составляющую рибосомы бактерии Escherichia coli, молекулу 23S-рРНК, показали, каким образом из относительно небольших и простых рибозимов мог развиться механизм белкового синтеза.
Эффективный полимеразный рибозим подкрепил гипотезу мира РНК
Молекула была подразделена на 60 относительно самостоятельных структурных блоков, основным из которых является каталитический центр пептидил-трансферазный центр, PTC, peptidyl-transferase centre , ответственный за транспептидацию синтеза белка. Было показано, что все эти блоки можно последовательно отсоединять от молекулы без разрушения её оставшейся части до тех пор, пока не останется один лишь транспептидационный центр. При этом он сохраняет способность катализировать транспептидацию. Если каждую связь между блоками молекулы представить в виде стрелки, направленной к тому блоку, который при отрыве разрушается, то такие стрелки не образуют ни одного замкнутого кольца. Если бы направление связей было случайным, вероятность этого составляла бы менее одной миллиардной. Следовательно, такой характер связей отражает последовательность постепенного добавления блоков в процессе эволюции молекулы, реконструированном исследователями. Таким образом, у истоков жизни мог стоять сравнительно простой рибозим — PTC-центр молекулы 23S-рРНК, к которому затем добавлялись новые блоки, совершенствуя процесс синтеза белка.
Чаще всего постулируется необходимость агрегирующих РНК мембран или размещения РНК на поверхности минералов и в поровом пространстве рыхлых пород. В 1990-е годы А. Четвериным с сотрудниками была показана способность РНК формировать молекулярные колонии на гелях и твёрдых субстратах при создании им условий для репликации.
Гипотеза РНК-мира заключается в том, что первые репликаторы на Земле представляли собой РНК-молекулы, которые могли инициировать собственное воспроизведение без помощи белковых ферментов. Но долгое время было неясно, как такая молекула может появиться из предшественников, которые не могут проявлять каталитической активности. Специалисты обнаружили, что рибозим, который помогает расщеплять другие молекулы, может появиться спонтанно, потому что для обеспечения его работы необходимы только несколько классических оснований. Но и тут оставалась проблема, как именно это свойство сохранилось во время биохимической эволюции.
Образуется замкнутый круг, который навел ученых на мысль, что первые организмы хранили генетическую информацию не в виде ДНК, а в виде РНК. РНК содержится в клетке и выполняет в ней разнообразные функции. В то же время было обнаружено, что некоторые РНК, которые получили название "рибозимы", могут выступать в роли белков и ускорять химические реакции.
РНК на самом деле способна хранить информацию, но, по сравнению с ДНК, она также способна катализировать такие реакции, как белковые ферменты. Гипотеза предполагает, что эта основанная на РНК система эволюционировала в нынешнюю систему, включающую ДНК и белки, благодаря большой химической стабильности ДНК необходимой для сохранения очень ценной информации о генах и большей каталитической гибкости, которой обладают аминокислоты. Однако важную роль играют рибозимы; рибозимы являются важными компонентами рибосомы , последняя жизненно необходима для синтеза белка. Есть много возможных функций рибозима: природа широко использует саморасщепляющуюся РНК , а прямая эволюция создала рибозимы с разнообразной активностью. Среди наиболее важных каталитических свойств, связанных с происхождением жизни, можно выделить: Способность к самодупликации или дублированию других молекул РНК. В лаборатории были получены относительно короткие молекулы РНК, способные дублировать другие. Самая короткая идентифицируемая длина составляет 165 оснований, хотя считается, что может быть достаточно и меньшего размера. Способность катализировать простые химические реакции, что позволяет создавать новые молекулы. Относительно короткие нити с такими возможностями были изготовлены в лаборатории.
Эта операция в настоящее время выполняется рибосомами , комплексами, состоящими из белков и двух длинных молекул РНК известных как рРНК , которые, как полагают, несут главную ответственность за активность синтеза белка. В лаборатории была синтезирована молекула, способная образовывать короткие пептиды. Можно предположить, что современные рибосомы могли произойти из таких молекул. Также было высказано предположение, что аминокислоты могли первоначально образовывать комплексы с молекулами РНК в качестве кофакторов , способных усиливать и диверсифицировать ферментативные способности; мРНК могла произойти из сходных молекул, а тРНК из филаментов, способных катализировать перенос одних и тех же аминокислот к коротким пептидам. Самое главное, эта группа делает молекулу менее стабильной, так как она может атаковать близлежащую фосфодиэфирную связь и разорвать ее. Другим существенным отличием является используемый набор оснований РНК , который включает урацил вместо тимина , используемого ДНК. Это аналогичные молекулы, хотя для производства урацила требуется меньше энергии. С точки зрения спаривания соответствующих последствий нет: аденин способен безразлично связывать оба основания.