В настоящее время можно считать не вызывающим сомнения тот факт, что появление первых живых систем, в которых наследственными информационными молекулами были ДНК, а не РНК, а также, что появление РНК в ЖС предшествовало появлению кодируемого пептидного синтеза. Аргументы в пользу этого утверждения столь сильны и многообразны, что вряд найдутся серьезные причины подвергнуть их сомнению. Ниже приводятся наиболее важные из таких аргументов.
1. Аргумент разнообразной ферментативной активности молекул РНК [Strobel S.A., Ryder S.P. 2001; Doudna J.A., Cech Т.R 2002]. Открытие каталитической активности РНК дало основание считать, что первые РНКовые молекулы могли функционировать и как геномы, и как ферменты.
Хотя созданы однонитевые ДНК, ферментативно расщепляющие РНК [Finkel E. 1999], что лишает РНК монополии на ферментативную активность среди нуклеиновых кислот, всё же диапазон выявленной в настоящее время ферментативной активности РНК уже достаточно велик, чтобы в отличие от ДНК, их можно было рассматривать как главных кандидат на однополимерную форму жизни, предшествующую современной.
В начале 90-х годов был разработан метод эволюции РНК in vitro («в пробирке»), или SELEX ([Select]ive Evolution of Ligands by Exponential Enrichment), позволяющий из хаотических наборов полинуклеотидных последовательностей получать аптамерные комплексы, т.е. синтетические полинуклеотиды, специфически и с высоким сродством связывающие определенный лиганд. Этот метод дал возможность получать из пула случайных молекул РНК всевозможные рибозимы, способные эффективно катализировать большое количество необходимых реакций [Ellington A.D., Szostak J.W. 1990; Robertson D.L., Joyce G.F. 1990; Tuerk C., Gold L. 1990], причём с эффективностью, на порядок превышающей аналогичные природные рибозимы [Strobel S.A. 2001a,b; Salechi-Ashtiani K., Szostak J.W. 2001], а также те виды активностей, которые в природе не обнаружены. К последним относятся молекулы РНК, способные катализировать реакции: аминоацилирования, репарации разрывов двухнитевой РНК, синтеза нуклеотида, образования пептидной связи [Zhang B., Cech T.R. 1997; Unrau P.J., Bartel D.P. 1998; Lee N. et al. 2000]. Наконец, получены рибозимы, катализирующие матричный синтез РНК по РНК [Johnston W.K., et al., 2001], и рибозимы, формирующие альтернативные варианты укладки РНК с разными каталитическими активностями [Schultes E.A., Bartel, 2000].
2. Аргумент существенно большей простоты репликации РНК по сравнению с ДНК. Репликация РНК, которую можно наблюдать в современных вирусах много проще репликации ДНК, так как, во-первых, ее осуществления требуется меньше типов белковых молекул, во-вторых для репликации ДНК необходимы РНКовые праймеры.
3. РНК в отличие от ДНК способна к саморекомбинации, поскольку механизм рекомбинации требует присутствия 2'-гидроксилов. Спонтанные перестройки полирибонуклеотидных последовательностей могли быть основным механизмом генераци новых вариантов молекул.
4. В современных клетках дезоксирибонуклеотиды образуются с помощью ферментативного восстановления рибонуклеотидов. Данная последовательность синтеза может рассматриваться как результат первоначального происхождения рибонуклеотидов.
5. Азотистое основание тимин, специфичное именно для ДНК, образуется вследствие метилирования РНКового основания урацила, то есть синтез последнего предшествует синтезу тимина.
6. В опытах по абиогенному синтезу рибоза образуюется существенно легче, чем дезоксирибоза.
7. В качестве ряда кофакторов для современных ферментов выступают молекулы, содержащие рибонуклеотиды, а не дезоксирибонуклеотиы. В 1989 г., химик и специалист по молекулярной эволюции С.Беннер с коллегами рассмотрели современный молекулярный катализ как комплекс недавно возникших черт, наложенных на более древние свойства, останки предковой жизни [Benner S.A. 1989]. Свою работу они назвали "Современный метаболизм как палимпсест мира РНК". (Палимпсест означает то, что написано на месте прежнего текста). Древние процессы, доставшиеся современным организмам от РНК-мира, должны характеризоваться следующими признаками: 1) в процесс должна быть вовлечена РНК; 2) химические свойства РНК собственно не должны быть существенны для выполнения функции; 3) функция может выполняться и не содержащими РНК компонентами, причем более эффективно. Нуклеотидные кофакторы следует отнести к молекулярным ископаемым: эти вещества оказались «привязанными» к большому количеству ферментативных реакций, и поэтому не могут быть элиминированы естественным отбором.
Этим трём требованиям удовлетворяют некоторые кофакторы: никотинамиддинуклеотид (NAD+), S-аденозилметионин, кофермент А, флавин-адениннуклеотид (FAD), АТP и другие нуклеотидтрифосфаты. Эти кофакторы представлены во всех трех доменах жизни. Важно, что их РНК-овые составляющие не существенны для выполнения кофакторами своих функций [Benner S.A.et al. 1987]. Так, в качестве кофактора АТP является донором фосфата для некоторых ферментов-киназ, но эту же функцию выполняет пирофосфат, не содержащий нуклеотидов. Донорами метильной группы являются как S-аденозилметионин, так и S,S-диметилтиоацетат. Скорее всего, у общего предка существовали процессы, в которых участвовали перечисленные кофакторы, а наличие именно РНКовой составляющей обусловлено именно тем, что РНКовый метаболизм был основным в мире РНК.
8. Ключевыми аргументами, говорящими о предшествовании появления кодируемого пептидного синтеза РНК-миру являются следующие:
- Для кодируемого пептидного синтеза необходимы РНКовые (а не ДНКовые) матрицы, РНКовые адапторные молекулы (т-РНК), а структура, синтезирующая белок, (рибосома) представляет рибонуклеопротеидный комплекс. Хотя отсутствуют прямые данные о существовании РНКовых организмов, «лицо» РНКового мира обнаруживается в молекулярных реликтах, присутствующих во всех живых клетках, прежде всего в аппарате трансляции.
- Структура белок-синтезирующих фабрик - рибосом - определяется в первую очередь струтурой РНК, не входящих вних белков.
"...свернутая молекула высокополимерной рибосомной РНК - это структурное ядро рибосомной субчастицы, определяющее и ее компактность, и ее форму, и организацию на ней рибосомных белков. Другими словами, будет не очень большим преувеличением сказать, что рибосома есть прежде всего ее РНК" ()
- Реакцию образования пептидной связи на рибосомах непосредственно катализируют не белковые субъединицы, а молекулой рибосомной РНК. При этом детальный структурно-функтциональный анализ рибосом говорит о том, что непосредственно исходной функциональной молекулой — «проторибосомой», с которой началась эволюция рибосомы, был пептидил-трансферазный центр (PTC) пятого домена молекулы 23S-рРНК. ().
- Молекулы, полученные из тРНК с помощью метода "эволюции в пробирке", способны также катализировать первую стадию кодируемого пептидного синтеза - аминоацилировать молекулы тРНК (присоединять к их акцепторному стеблю аминокилоты) или же аминоацилироваться [Lee N. et al. 2000].
.
Таким образом, имеющиеся экспериментальны данные свидетельствуют о том, что молекулы РНК потенциально способны в отсутсвие сложных белков катализировать все непосредственные ключевые этапы кодируемого пептидного синтеза - аминоацилирование тРНК и синтез белка на РНК-проторибосоме.
Литература.
Benner S.A., Ellington, A.D., Tauer A. Modern metabolism as a palimpsest of the RNA world. Proc. Nat. Acad. Sci. 1989. V.86 P.7054-7058.
Ellington A.D., Szostak J.W. In vitro [Select]ion of RNA molecules that bind specific ligands // Nature. 1990. V. 346. №6287. P. 818-822. Finkel E. DNA cuts its teeth — as an enzyme // Science. 1999. V. 286. P. 2441-2442.
Johnston W.K., Unrau P.J., Lowrence M.S. et al. RNA-catalyzed RNA polymerization: accurate and general RNA-templated primer extension // Science. 2001. V. 292. P. 1319–1325.
Lee N., Bessho Y., Wei K., Szostak J.W., Suga H. Ribozymecatalyzed tRNA aminoacilation. // Nature Struct. Biol. 2000. V.7. P.28-33.
Robertson D.L., Joyce G.F. [Select]on in vitro of an RNA enzyme that specifically cleaves single-stranded DNA. Nature 1990. V.344. P.467-468.
Salechi-Ashtiani K., Szostak J.W. In vitro evolution suggests multiple origins for the hammerhead ribozyme. // Nature. 2001. V. 414. P. 82-84.
Schultes E.A., Bartel D.P. One sequence. Two ribozyme: implication for the emergence of new ribozyme folds // Science. 2000. V. 289. P. 448-451.
Strobel S.A. Biological catalysis: Repopulating the RNA World // Nature. 2001a. V. 411. P. 1003-1004.
Strobel S.A., Ryder S.P. Biological catalysis: the hairpin's turn // Nature. 2001b. V. 410. P. 761-763.
Tuerk C., Gold L. Systematic evolution of ligands by exponential enrichment // Science. 1990. V. 249. P. 505–510.
Unrau P.J., Bartel D.P. RNA-catalized nucleotide synthesis // Nature. 1998. V. 395. P. 260-263.
Zhang B., Cech T.R. Peptide bond formation by in vitro [Select]ed ribozymes. // Nature. 1997. V.338. P.217-224.