Центральную догму биологии, сформулированную Фрэнсисом Криком в конце 1950-х, изучают в классическом виде: ДНК → РНК → белок. Но данных достаточно, чтобы усомниться в буквальном понимании этого главного принципа жизни.

Последний пример: в июньской публикации Scientific Reports российские ученые из Института биоорганической химии и Федерального научно-клинического центра физико-химической медицины показали, что разнообразие изоформ белков в клетках значительно меньше теоретически возможного. Журналисты поспешили сообщить, что меняется представление о центральной догме молекулярной биологии. Однако догма меняется уже 70 лет, потому что исходно была всего лишь гипотезой. Словом «догма» ее создатель Крик назвал потому, что нравилось это слово! Важно другое: как и почему меняется главная гипотеза молекулярной биологии.

Слишком много РНК

Генетическая информация считывается с кодирующих последовательностей генома, представленных генами. Только малая часть генома эукариот (растения, животные, грибы) содержит гены, а основная часть представлена протяженными нуклеотидными последовательностями с малоизученными функциями. В геноме человека только четверть покрыта генами и только 1% последовательностей ДНК кодирует информацию, записываемую в функциональных молекулах РНК (часть догмы «ДНК → РНК»). То есть 1% геномной ДНК содержит информацию обо всех молекулах РНК. Зачем нужны оставшиеся 99%?

В последние годы стало понятно, что межгенные участки ДНК несут в себе регуляторную функцию: в них заложены системы и элементы, обеспечивающие тонкую настройку работы генов, их включение или выключение в определенных тканях организма или на конкретных стадиях развития. С такими элементами связываются различные комплексы, которые содержат молекулы регуляторных белков и РНК. Уже на этом уровне очевидно, что модель «ДНК → РНК → белок» полноценно не работает, так как основная масса ДНК не дает начала РНК, а несет другие функции.

Часть генов кодирует РНК с регуляторными функциями. Эти РНК не содержат информации о последовательности белка, а преимущественно организуют синтез белка в клетке. Основная часть таких РНК - компоненты рибосом (рибосомальные РНК), комплексы, осуществляющие трансляцию, а также молекулы-переносчики аминокислот (транспортные РНК), необходимые участникам процесса синтеза белка на матрице РНК (трансляции). 90% всей РНК клетки относится к перечисленным типам.

Среди оставшихся 10% молекул РНК представлены все белок-кодирующие РНК, но даже среди этих РНК найдены некодирующие молекулы, в частности, малые ядерные РНК. Эти РНК - необходимые компоненты комплекса сплайсинга. Сплайсинг - процесс удаления из первичной молекулы РНК некодирующих участков (интронов) и последовательного соединения кодирующих (экзонов); в итоге получается матричная РНК (мРНК), содержащая готовую к считыванию информацию о последовательности белка.

Именно этот комплекс готовит предшественников мРНК к синтезу правильных белков - путем вырезания из середины РНК последовательностей, не несущих в себе информации о составе белка, но содержащих регуляторные элементы. Так что и часть догмы «РНК → белок» имеет свои ограничения.

Молекулярный «контроль качества»

А что мы знаем про так называемые «белок-кодирующие» гены? В клетках прокариот (бактерии) для такого типа генов все просто: на матрице ДНК транскрибируются молекулы РНК, на их базе идет синтез белковых молекул. Чаще всего молекулы РНК готовы для синтеза уже во время транскрипции.

В клетках эукариот все гораздо сложней: синтезирующиеся в процессе транскрипции молекулы РНК не готовы к трансляции (синтезу белка), прежде они должны претерпеть ряд изменений. Определенный набор модификаций вносится на концы молекул РНК (и РНК становится стабильной, а также попадает в определенные зоны клетки - «фабрики белка»), из середины молекул вырезаются интроны. Без сплайсинга и объединения экзонов правильную белковую молекулу не синтезировать.

С усложнением геномов вклад сплайсинга в процесс созревания мРНК увеличивается: у дрожжей только 4% белок-кодирующих генов подвергается сплайсингу, у дрозофилы - 83%, а у человека - 94%. Основная часть генов человека содержит более одного интрона в своем составе, и более половины генов человека могут сплайсироваться несколькими способами. Так что сплайсинг - это дополнительный регуляторный механизм, контролирующий количество «правильных» РНК, на матрице которых может запускаться синтез белковых молекул.

Кроме этого, сплайсинг часто является своего рода «контролем качества» молекул РНК, регулирует их стабильность. А так как альтернативный сплайсинг приводит к образованию на основе одной и той же молекулы РНК разных вариантов зрелых мРНК, это способ обеспечить дополнительное разнообразие белков в клетке. Такое разнообразие нужно для лучшей приспосабливаемости организма: разные изоформы белка могут работать в разных типах клеток, транспортироваться в разные компартменты или формировать разные поверхности узнавания для лигандов и т. д.

О чем «шумят» гены

Далеко не для всех изоформ белков известны функции, а во многих случаях для альтернативно сплайсированных молекул РНК не удается обнаружить белковый продукт. Авторы указанной статьи в Scientific Reports , изучавшие продукты альтернативного сплайсинга на модели мха, не обнаружили белков для большей части альтернативно сплайсированных молекул мРНК. В работах, выполненных на других модельных организмах, для многих альтернативно сплайсированных вариантов мРНК белковые молекулы также не были найдены.

Возможно, такие молекулы - побочный продукт регуляции «количества» генной экспрессии, «генный шум»; либо некоторые изоформы белка нужны в крайне ограниченных количествах.

Кроме этого, во многих интронах генов находятся регуляторные элементы, управляющие процессами сплайсинга, и там же могут находиться некодирующие РНК, участвующие в клеточном метаболизме. Так что и многообразие изоформ, и даже экспрессии белка могут контролироваться непосредственно молекулами РНК, без участия ДНК.

С развитием полногеномных технологий появляется все больше работ о некодирующих молекулах РНК. В геноме человека описан огромный пул таких РНК - «длинных» и «коротких»: они осуществляют важные регуляторные функции в клетке. Эти РНК следят за стабильностью белок-кодирующих РНК, активируют или репрессируют гены, являются сенсорами при разных стрессах. Функции основной части некодирующих РНК еще не описаны, это целый мир, без которого клетка и организм не могут существовать.

Накопленные на сегодня данные наталкивают на мысль, что на молекулярном уровне жизнь - это форма реализации функций РНК. ДНК хранит информацию, белок отвечает за клеточный метаболизм, а жизнь клетки (и организма) организуется и контролируется на этапе функционирования молекул РНК.

Существуют даже предположения, что именно РНК на заре эволюции была первым биополимером, способным к самовоспроизводству. РНК, с одной стороны, подобно ДНК, способна быть хранилищем генетической информации (геномы огромной группы вирусов представлены РНК). С другой - известны и РНК с каталитической функцией, способные выполнять часть функций белков. Сторонники РНК-мира считают, что свойства РНК, позволившие им воспроизводить за счет собственной ферментной активности записанную в последовательностях нуклеотидов информацию, сыграли решающую роль в становлении генетического аппарата живых организмов.

Время для подобных обобщений еще не пришло. Ученые только начинают понимать, что система, которую они изучают уже 100 лет, гораздо сложней, чем казалось даже 20 лет назад.

Мир РНК: вчера и сегодня

Долгое время считали, что рибонуклеиновая кислота (РНК), ближайшая «родственница» знаменитой ДНК, выполняет в организме служебные функции, являясь лишь посредником в сложнейших внутриклеточных процессах. И хотя признавалось, что на ранних этапах эволюции жизни РНК могла играть главенствующую роль, но казалось очевидным, что она давно уступила первенство более специализированным молекулам – катализаторам и носителям информации. Однако открытие множества регуляторных РНК, связанных с феноменом некодирующего «темнового генома», буквально перевернуло представления о современном «мире РНК» и послужило толчком к поиску и созданию новых диагностических и лекарственных средств

Классический взгляд на процесс реализации наследственной информации в живой клетке сформировался еще в начале второй половины XX в. Согласно нему, вся наследственная информация, определяющая жизнь организма, закодирована в виде последовательности нуклеотидов в особом биополимере – дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК). «Размножение» и передача этой информации происходит путем удвоения молекул ДНК с участием специальных белков-ферментов.

Когда участок ДНК, в котором содержится информация о строении того или иного белка, – ген – начинает «работать», с него с помощью специальных ферментов считывается «промежуточная» информация в виде молекул рибонуклеиновой кислоты (РНК). Нуклеотидная последовательность этой РНК служит «программой»-матрицей для особых молекулярных машин – рибосом , которые приступают к синтезу соответствующего белка

В этой схеме преобразования генетического кода в конечный «полезный продукт» центральным элементом является ДНК. Была даже сформулирована «центральная догма молекулярной биологии», гласившая, что поток информации в живой клетке идет по направлению от ДНК к РНК и далее к белку, и только в этом направлении: синтезировать ДНК или РНК, соответствующую определенному белку, клетка не умеет. Неудивительно, что увлекательная книга молекулярного биолога М. Д. Франк-Каменецкого «Самая главная молекула», вышедшая в 1983 г., была посвящена именно ДНК.

Важная роль отводилась также белкам, как главным строительным «кирпичикам» и, в первую очередь, катализаторам, способным в условиях живой клетки опосредовать самые разные биохимические реакции и процессы. РНК же представлялась скорее «рабочей» молекулой, расходным материалом белкового синтеза. Конечно, помимо матричной РНК были известны и транспортные РНК, переносящие аминокислоты на рибосомы, а также РНК в составе рибосомного каркаса, однако и им отводилась роль скромных «золушек».

Со временем стали накапливаться наблюдения, которые заставляли задуматься: а так ли просто все устроено в геноме? К примеру, оказалось, что у некоторых вирусов наследственная информация зашифрована не в ДНК, а в РНК, и они способны синтезировать ДНК по «матрице» РНК при встраивании своего генетического материала в геном клетки-хозяина. Однако несмотря на отдельные противоречия, взгляды на природу и роль важнейших биополимеров, вошедшие во все школьные учебники, десятилетиями оставались незыблемыми.

Между тем, невзирая на трудности экспериментов с РНК, молекулы которой менее стабильны, чем ДНК и белков, исследователи продолжали упорно изучать эти «немодные» биополимеры. И в конце XX в. классические научные представления начали рушиться под напором новых поразительных открытий.

Жизнь начиналась с РНК

После расшифровки генома человека и других высокоорганизованных животных оказалось, что большая часть ДНК не содержит генов, кодирующих белки. (К слову, когда сравнили геномы различных млекопитающих, оказалось, что по набору генов «царь природы» немногим отличается от той же мыши.) В геноме человека длиной около трех миллиардов пар нуклеотидов ожидали обнаружить более 100 тыс. генов, но их оказалось по крайней мере в три раза меньше! Причем в это число входят все гены, кодирующие белки, а также гены рибосомных и транспортных РНК. Вместе с известными на то время регуляторными последовательностями все эти гены занимают не более 1,5 % геномной ДНК. А что же остальная часть?

С полным пренебрежением к непонятному такую некодирующую ДНК – так называемый темновой геном – стали считать «мусором», накопившимся в процессе эволюции. И хотя впоследствии было обнаружено, что с участков «мусорной» ДНК все же считывается какая-то информация и синтезируется огромное количество РНК, это явление было оценено как «транскрипционный шум».

Самым удивительным открытием стал тот факт, что белки не являются монополистами в умении катализировать биологические реакции. Так, в ядре клетки обнаружился набор небольших РНК, которые при участии белков обеспечивают процесс созревания матричной РНК. Дело в том, что с гена считывается длинная РНК, которую необходимо нарезать на фрагменты и затем определенным образом «сшить», чтобы получилась нужная программа. Правильность этой «сшивки» и обеспечивают специальные РНК.

Был открыт и каталитически активный РНК-белковый комплекс теломераза , благодаря которому происходит синтез концевых участков хромосом. Оказалось, что в рибосоме РНК также выполняет не только структурную роль – из нее построен сам каталитический центр! Таким образом, все ключевые функции в процессе белкового синтеза принадлежат молекулам РНК.

Выяснилось, что РНК, подобно белкам, могут формировать компакт­ные структуры, способные к высокоспецифичному взаимодействию практически с любыми маленькими и большими молекулами. РНК-катализаторы были найдены в природе, их используют как вирусы, так и клетки высших организмов. А вскоре самые различные каталитические РНК научились получать искусственным путем.

Факты упрямо указывали на первенство РНК как биологической молекулы. Да, ДНК является стабильным хранителем информации, но не может функционировать без помощи белков. Белки – эффективные катализаторы, но на роль носителей информации принципиально не годятся. А вот РНК оказалась именно такой универсальной, многофункциональной молекулой, какой и должна быть «прародительница».

Стало ясно, что именно из простых РНК-содержащих систем произошел современный биологический мир. Но куда же делся этот «мир РНК», когда на смену пришли более специализированные молекулы? Не являются ли сегодня РНК своего рода «молекулярными окаменелостями», имеющими хотя и важное, но ограниченное значение? Еще совсем недавно ответ на эти вопросы сомнений не вызывал.

Тридцать лет спустя

В 1997 г. в Германии состоялась конференция, посвященная исследованиям РНК. Ей предстояло подвести итог масштабной программы исследований РНК: все, что касалось этих биополимеров, представлялось на тот момент ясным и понятным. В этой атмосфере настоящим «взрывом бомбы» прозвучал доклад об открытии РНК-интерференции – ранее неизвестного механизма регуляции функционирования генов с помощью специальных малых РНК.

Вообще-то удивительно, что обнаружение этого довольно очевидного механизма потребовало так много времени. Ведь теоретически было давно известно, что остановить работу целевой генетической программы, т. е. «заблокировать» конкретную нуклеиновую кислоту, можно путем присоединения к ней небольшого комплементарного фрагмента РНК или ДНК, достаточного по размеру, чтобы обеспечить избирательность действия.

Именно такой способ избирательного регулирования функций нуклеиновых кислот был впервые предложен еще в 1960-х гг. новосибирским исследователем Н. И. Гриневой и ее коллегами, работавшими под руководством будущего академика РАН Д. Г. Кнорре. Ученые справедливо решили, что лучший способ направленно воздействовать на гены – использовать так называемые антисмысловые олигонуклеотиды, т.е. короткие комплементарные фрагменты ДНК или РНК (Belikova et al. , 1967).

И вот десятилетия спустя было доказано, что этот механизм направленного воздействия на генетический материал функционирует в живых системах при регуляции экспрессии генов. Это тот редкий случай в истории науки, когда явление сначала было описано теоретически, затем его схема реализована в эксперименте и лишь десятилетия спустя оно обнаружено в природе.

Забегая вперед, нужно отметить, что своими работами сибирские ученые открыли новое направление прикладной молекулярной биологии, которое сегодня бурно развивается во всем мире. Уже получены первые фармацевтические препараты на основе интерферирующих микроРНК, а в будущем ожидается создание широчайшего спектра лекарств, в том числе и для избирательной инактивации уже самих микроРНК (такие ингибиторы даже получили специальное название – «анти-мир») и других некодирующих РНК.

На той же конференции 1997 г. было заявлено об обнаружении в клетках мозга и других органов множества разнообразных некодирующих РНК, концентрации которых меняются в зависимости от состояния организма. Стало очевидно, что речь должна идти не о свертывании, а о расширении дальнейших исследований РНК.

Сокровища «мусорной» ДНК

Очень скоро были получены данные о чрезвычайно широком распространении РНК-интерференции в природе и начаты работы по практическому использованию интерферирующих РНК для создания терапевтических препаратов и генетически модифицированных организмов.

Более того, было показано, что в организме синтезируется огромное число – тысячи видов – некодирующих РНК, информация о которых содержалась в той самой якобы ненужной «мусорной ДНК». Были обнаружены микроРНК-регуляторы активности генов, макроРНК, выполняющие различные регуляторные функции, а также множество других РНК с пока неизвестными функциями. Удивительно, что многие РНК находятся не только в клетках тканей, но и в крови, и способны «путешествовать» по организму.

Длинные некодирующие РНК пока что относительно мало изучены, и механизм их действия установлен лишь в некоторых случаях. Исследователи склоняются к заключению, что такие РНК играют роль организаторов сложных функциональных структур, включающих различные биомолекулы. Молекула РНК идеально подходит на подобную роль: она может содержать в себе различные модули, которые способны связываться как с конкретными белками, так и с участками ДНК. Такие РНК-модули могут располагаться определенным образом относительно друг друга, благодаря чему появляется возможность создавать супрамолекулярные ансамбли любой степени сложности. Самый наглядный пример такой структуры – рибосома.

Таким образом, именно благодаря РНК создаются основные структуры клетки, делающие ее «живой». Длинные некодирующие РНК управляют также работой генетического аппарата клетки. Они включают и выключают работу целых областей хромосомы, определяя точки специфической модификации хромосомных белков.

С состоянием организма тесно связаны и концентрации разнообразных микроРНК в органах и тканях. Эти РНК, участвуя в регуляции активности огромного числа генов, воздействуют на важнейшие физиологические и метаболические процессы, протекающие в отдельной клетке и в организме в целом.

Например, с помощью определенного набора микро­РНК можно изменить степень клеточной дифференциации – получить из специализированных клеток недифференцированные стволовые либо, напротив, управлять дифференциацией стволовых клеток в нужном направлении. Доказано, что с помощью микроРНК регулируется дифференциация клеток жировой ткани, метаболизм липидов, секреция инсулина и других гормонов и т. д.

Судя по последним данным, в сферу «юрисдикции» РНК попадает свыше 60 % всех генов. Фактически, именно микроРНК «руководят» развитием целых органов и организма в целом, запуская одни процессы и останавливая другие по соответ­ствующим «биологическим часам».

В составе специальных транспортных мембранных структур, таких как экзосомы , микроРНК могут передаваться не только между тканями и органами одного организма, но даже между организмами. Например, в молоке матери содержатся экзосомы с микроРНК, которые играют важную роль в становлении иммунной системы ребенка, причем уровень их секреции особенно высок в первые шесть месяцев лактации (Kosaka et al. , 2010).

Неудивительно, что интерес к таким транспортным структурам и составу переносимых ими микро- и других некодирующих РНК сегодня крайне высок, и недавно начатые исследования были подхвачены тысячами ученых из разных стран. Было даже организовано международное общество по внеклеточным везикулам, а в апреле 2012 г. в Швеции состоялась первая конференция по этой тематике, где было объявлено о создании специализированного журнала.

Точки приложения

Итак, некодирующие РНК являются главными регуляторами, управляющими функциями генов и целых генетических ансамблей, при этом число известных некодирующих РНК постоянно растет. На их концентрацию и соотношение влияют и протекающие в организме патологические процессы (например, опухолевые). Отсюда очевидна перспективность применения методов количественного анализа некодирующей РНК для целей медицинской диагностики. А подавление активности РНК, ассоциированной с развитием болезни, должно стать новым подходом в терапии.

Сегодня известно, что с помощью определенных микро­РНК можно блокировать развитие рака предстательной и молочной желез (Tavazoie et al. , 2008). МикроРНК рассматриваются и в качестве потенциальных лечебных средств в терапии сердечно-сосудистых заболеваний (Latronico & Condorelli, 2009). Ведутся клинические исследования экзосом, содержащих микроРНК, которые циркулируют в крови при меланомах и различных формах рака легких (Rabinowits et al. , 2009).

Подобные исследования активно ведутся и в Сибирском отделении РАН. Благодаря разработанной в Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН оригинальной методике высокопроизводительного секвенирования РНК появилась возможность быстро и точно получать информацию о профиле микроРНК в различных клинических образцах. Уже опубликованы данные о спектрах микроРНК здоровых людей (Semenov et al. , 2012), ведется работа по определению соответствующих РНК-профилей при различных патологиях.

В ИХБФМ получены и обнадеживающие экспериментальные данные о возможности проведения противо­опухолевой и антиметастатической терапии ферментом РНКазой А, который влияет на концентрацию и спектр опухолевых микроРНК в клетках и сыворотке крови больных животных (Mironova et al. , 2012).

Исследованиями микроРНК с целью развития диагностических методов занимаются и в недавно организованном Институте молекулярной и клеточной биологии СО РАН (Новосибирск). Например, там был изучен профиль экспрессии некоторых микроРНК при различных опухолях щитовидной железы.

Детальное изучение свойств РНК подтолкнуло исследователей к созданию новых технологий, обещающих принести огромную пользу человечеству уже в ближайшем будущем. Речь идет о широко известной технологии SELEX, позволяющей получать молекулы РНК с заданными свойствами – аптамеры , которые способны селективно и прочно связываться с молекулой-мишенью. Суть аптамерной технологии в том, что сначала химико-ферментативными методами создаются так называемые РНК-библиотеки случайных последовательностей, содержащие огромное множество разнообразных молекул РНК. Затем из этого множе­ства методами молекулярной селекции по способности специфично взаимодействовать с целевой молекулой отбирают аптамеры и нарабатывают их в нужном количестве, хотя искомая РНК может быть представлена в составе библиотеки единственной молекулой.

Сегодня в качестве аптамеров и терапевтических средств используется не только РНК с обычной «природной» структурой: с помощью различных химических модификаций можно получить молекулы, устойчивые к действию разрушающих РНК ферментов, которых много в биологических средах. Такие «искусственные» РНК имеют большие перспективы в диагностике заболеваний: например, можно получить РНК-аптамеры к молекулам – маркерам заболеваний и на их основе создать биосенсоры, обладающие уникальной чув­ствительностью.

Сочетание основанных на РНК биоаналитических подходов к диагностике заболеваний с новыми -терапевтическими средствами на основе микроРНК и некодирующих РНК в ближайшем будущем должно привести к новому прорыву в медицине.

С каждым годом исследователи открывают все новые и новые грани удивительного «мира РНК». Высокопроизводительные технологии секвенирования нуклеиновых кислот позволили обнаружить в клетках и крови огромное множество разнообразных РНК, среди которых оказа­лись транскрипты тех участков ДНК, которые ранее считались «молчащими».

В результате в конце XX в. удалось открыть природный механизм огромной значимости, управляющий работой клеточного генома, который задолго до этого события был предвосхищен сибирскими учеными в идее «антисмысловых нуклеотидов».

Раскрытие многих тайн «мира РНК», который долгое время скрывался от исследователей за ширмой более узкоспециализированных молекул, белков и ДНК, приблизило нас к пониманию фундаментальных вопросов происхождения жизни. И более того: этот мир РНК, претворившийся в новые перспективные биомедицинские технологии, постепенно становится частью повседневной жизни человечества.

Литература

Власов В. В., Власов А. В. Жизнь начиналась с РНК // НАУКА из первых рук. 2004. № 2 (3). C. 6-19.

Власов А. В. Эволюция в пробирке // НАУКА из первых рук. 2006. № 1 (7). С. 50-59.

Власов В. В. Лекарство для генов // НАУКА из первых рук. 2007. № 2 (14). С. 56-59.

Карпова Г. Г., Грайфер Д. М., Малыгин А. А. Рибосома – минифабрика по производству белков // НАУКА из первых рук. 2006. № 6 (12). С. 46-53.

Франк-Каменецкий М. Д. Самая главная молекула, Москва: Наука, 1983.

Черноловская Е. Л. РНК-интерференция: клин клином… // НАУКА из первых рук. 2008. № 1 (19). С. 54-59.

Knorre D. G., Vlassov V. V., Zarytova V. F. et al. Design and targeted reactions of oligonucleotide derivatives, Boca Raton, CRC Press, 1994.

Vlassov V. V., Pyshnyi D. V., Vorobjev P. E. Nucleic acids: structures, functions, and applications. In Handbook of nucleic acids purification, Ed. D. Liu, Boca Raton, CRC Press, 2009.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кубанский государственный аграрный университет

УДК 577.2+573..55

03.00.00 Биологические науки

Концепция «Мир Рнк»: теория и практика

Плотников Владимир Константинович

д.б.н., доцент

Салфетников Анатолий Алексеевич

д.c.-х.н., профессор

В обзоре рассматривается развитие исследований необычных свойств РНК, интенсивно начавшиеся в самом начале 80-ых годов XX века, что привело к формированию концепции «Мир РНК». В теоретическом отношении в контексте мировой научной концепции о рибозимах это способствует возможности в корне пересмотреть теорию происхождения жизни на Земле. Основой современной жизни является наследуемый биосинтез белков, который определяет все признаки ныне существующих организмов. В качестве центрального звена процесса биосинтеза белков выступает совокупность взаимодействующих друг с другом молекул РНК различных типов. Можно сказать, что совокупность молекул РНК - мир РНК - по-прежнему составляет ядро жизни. Современная жизнь - это РНК, передавшая часть свих генетических функций рождённому ею же полимеру - ДНК и синтезирующая белки для всеобъемлющего эффективного функционирования содержащих её компонентов - клеток и многоклеточных организмов. В практическом плане необычные древние особенности РНК нашли в последнее время эффективные практические приложения. В частности, исследования магний-зависимого самораспада РНК в водных растворах позволяют создавать молекулярно-кинетические маркёры, позволяющих количественно оценивать эффект взаимодействия «генотип-среда» у растений и животных. Изучение системы РНК-интерференции и её применения находится на самой ранней стадии, но этому открытию суждено сыграть в постгеномную эру ключевую роль

Ключевые слова: РНК, рибозимы, регуляция экспрессии генов, РНК-интерференция, РНК-маркёры

Doi: 10.21515/1990-4665-128-053

«Бог создал мир так, что всё, что нужно, не очень сложно, а всё, что сложно, не очень нужно» Григорий Сковорода, украинский философ

«Простота -- это то, что труднее всего на свете;

это крайний предел опытности и последнее усилие гения»

Леонардо да Винчи

Введение

Молекулы нуклеиновых кислот ДНК и РНК хранят в себе генетическую информацию, необходимую для существования и размножения живой клетки. Белки же выступают в роли действующего начала: молекулы белков-ферментов катализируют тысячи химических реакций, протекающих в клетке. Ещё недавно такое «разделение труда» между информационными и действующими молекулами считалось одним из основополагающих принципов биохимии. Однако в последние десятилетия эта схема была пересмотрена в связи с открытием того, что РНК может выступать в качестве фермента.

Вся активная жизнь построена на обмене веществ - метаболизме, и все биохимические реакции метаболизма происходят с надлежащими для обеспечения жизни скоростями только благодаря высокоэффективным катализаторам, созданным эволюцией. На протяжении многих десятилетий биохимики были уверены, что биологический катализ всегда и всюду осуществляется белками (ферменты или энзимы). Но в 1982-1983 гг. было показано, что в природе имеются виды РНК, которые, подобно белкам, обладают высокоспецифической каталитической активностью. Такие РНК-катализаторы были названы рибозимами. Представлению об исключительности белков в катализе биохимических реакций пришёл конец. В настоящее время рибосому тоже принято рассматривать как рибозим. Все имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что синтез полипептидной цепи белка в рибосоме катализируется рибосомной РНК, а не рибосомными белками. Идентифицирован каталитический участок большой рибосомной РНК, ответственный за катализ реакции транспептизации, посредством которой осуществляется наращивание полипептидной цепи белка в процессе трансляции . Для проявления рибозимных свойств РНК необходимы катионы магния.

Один из основоположников молекулярной биологии Джеймс Уотсон в 1985 году побывал в Москве. В весьма обширном интервью Уотсона представителю журнала «Химия и жизнь» на вопрос о возможности больших обобщений и упрощений в молекулярно-биологических знаниях, подобно тому, как это периодически происходит в физике, когда в процессе накопления фактов и деталей вдруг наступает момент, когда они все охватываются единым и очень экономичным объяснением, он ответил: «Нет, у нас, я думаю, время простоты никогда не настанет. Мы всегда, рассуждая о гене, будем вынуждены говорить о считывании с него информации и о регуляции этого считывания, о воплощении этой информации в белки и о регуляции этого воплощения, и о многом-многом другом. Ведь даже простейшая форма жизни нуждается примерно в тысяче разных белков».

Но в дальнейшем течении интервью Дж. Уотсон озадаченно отмечает: «Я думаю, что самым важным из неожиданных событий последних лет было открытие «сплайсинга» РНК (сшивания РНК) без всяких ферментов. Это очень важно для проблемы происхождения жизни» .

Это было в самом начале экспериментального процесса в науке, который привёл к созданию концепции «мир РНК». Дж. Уотсон ещё не мог в полной мере представить те изменения, которые стремительно последуют в ближайшие годы в мировоззрении учёных и которые приведут к принципиально важному выводу о том, что большие обобщения и упрощения знаний в молекулярной биологии вполне вероятны на основе исследования центрального звена живой материи - молекул РНК, представляющих собой удивительное вещество, поражающее разнообразием своих типов и функций, красотой и согласованностью процессов, в которых оно принимает участие.

1. Открытие рибозимов

Молекулы РНК входят в состав некоторых ферментов (таких, как теломераза, позволяющая клеткам быстро размножаться без старения), но отдельные виды обладают собственной активностью. Так, они могут вносить разрывы в другие молекулы РНК или, напротив, «склеивать» между собой два РНК-фермента.

В связи с рибозимами особенно следует вспомнить о РНКазе Р E.coli, состоящей из небольшого полипептида и РНК длинной в 375 нуклеотидов. Именно РНК обеспечивает этому ферменту эндонуклеазную активность, необходимую для процессинга предшественников тРНК. Одной из задач было выяснение роли РНК, входящей в их состав.

Началась история исследований этого феномена в 70-х годах ХХ века, когда в клетках некоторых организмов были обнаружены эти необычные ферменты.

В конце 70-х годов американские биохимики Томас Чек и Сидни Альтман независимо друг от друга изучали структуру и функции таких ферментов.

Вначале, следуя общепринятому мнению, ученые полагали, что молекула РНК является в таких комплексах лишь вспомогательным элементом, отвечающим, может быть, за построение правильной структуры фермента или за правильную ориентацию при взаимодействии фермента и субстрата (то есть той молекулы, которая и подвергается изменению), а саму катализируемую реакцию выполняет белок.

Для того чтобы прояснить ситуацию, исследователи отделили белковую и РНК составляющие друг от друга и исследовали их способности к катализу. К своему огромному удивлению, они заметили, что даже после удаления из фермента белка, оставшаяся РНК была способна катализировать свою специфическую реакцию. Такое открытие означало бы переворот в молекулярной биологии: ведь раньше считалось, что к катализу способны лишь белки, но никак не нуклеиновые кислоты.

Самым убедительным доказательством способности РНК к катализу стала демонстрация того, что даже искусственно синтезированная РНК, входящая в состав изучаемых ферментов, может самостоятельно катализировать реакцию.

Эндорибонуклеазная активность самой РНК (вне связи с белком) была впервые обнаружена Т. Чеком в 1980 г. у интрона групп I предшественника рибосомной РНК Tetrahymena thermophila, осуществляющего аутокаталитическую реакцию сплайсинга (аутосплайсинга), в результате которой происходит вырезание из молекулы предшественника рРНК последовательности этого интрона и образование зрелой молекулы рРНК . С тех пор аутокаталитические реакции расщепления были выявлены у многих молекул РНК.

Молекулы РНК, способные к катализу, были названы рибозимами (по аналогии с энзимами, то есть белковыми ферментами). За их открытие в 1989 году Чек и Альтман были удостоены Нобелевской премии по химии .

Вместе с тем показано, однако, что рибозимы современных организмов обладают весьма ограниченным диапазоном каталитических активностей, осуществляющих преимущественно реакции гидролиза и переноса фосфодиэфирных связей в самой РНК, а также в ДНК. Представления о возможностях РНК катализа значительно расширились с развитием методов искусственного отбора и амплификации молекул из синтезированных хаотических последовательностей РНК. Оказалось, что рибозимы, полученные в результате молекулярной селекции, катализируют образование полимерных цепей, комплементарных материнским молекулам РНК.

Они также способны катализировать реакции, имеющие прямое отношение к биосинтезу белка, например, перенос аминоацильных и пептидильных радикалов и образование пептидной связи. С этим хорошо согласуется тот факт, что рибосомная 23S РНК выполняет каталитическую функцию в биосинтезе белка и нельзя исключить, что именно полинуклеотидный катализатор обеспечивает пептидилтрансферазную активность современной рибосомы. Эти результаты дают основание полагать, что каталитические активности, присущие полирибонуклеотидным молекулам, могли обеспечить развитие процессов репликации и трансляции в мире РНК .

После открытия Т. Чеком с соавторами в 1981-1982 гг. аутосплайсинга (самосшивание) рибосомной РНК у Tetrahymena thermophila стало ясно, что сами молекулы РНК могут обладать каталитическими свойствами, вполне сопоставимыми со свойствами ферментов-протеинов. Именно открытие рибозимов (РНК-ферментов) привело к созданию концепции «мира РНК» - мира, который, вероятно, возник и существовал задолго до оформления ныне существующего «ДНК-белкового мира». Вскоре после открытия рибозимов в одной из работ родоначальник и классик молекулярной биологии Ф. Крик писал: «Эти эксперименты (по каталитической РНК) поддерживают гипотезу, что биохимия РНК предшествовала традиционной биохимии, основанной на нуклеиновых кислотах и белках».

"РНКовый мир" - книга под таким названием впервые вышла в 1993 году в издательстве Колд-Спринг-Харбора (США). Эта книга в последствие неоднократно переиздавалась.

Авторы, среди которых был и Чек, обсуждали на страницах объёмистого тома эволюционные аспекты зарождения катализа, специфичность и функции макромолекул. В начале 1990-ых годов ещё никто не мог предполагать взрыва интереса к РНК, и книга пользовалась интересом главным образом среди теоретиков. Теперь же совсем другое дело. Можно только поразиться провидческой способности редакторов первого издания, которые предпослали книге подзаголовок: "Природа современной РНК предполагает её пребиотичность" .

2. Новый взгляд на происхождение жизни на планете Земля

Проблема происхождения жизни приобрела неодолимое очарование для всего человечества. Она не только привлекает к себе пристальное внимание учёных разных стран и специальностей, но интересует вообще всех людей мира.

В конце 60-ых годов XX века известный английский учёный Джон Бернал в своей монографии «Возникновение жизни» (1967) писал: «Гипотеза Уотсона и Крика, предложенная ими в 1953 году, произвела полный переворот в биологии, да и, можно сказать, в науке вообще. Возможность приложения этой гипотезы к проблеме возникновения жизни очевидна, хотя и не осознаётся ещё должным образом даже её авторами….

Успехи, достигнутые молекулярной биологией, заставили нас пересмотреть многое из того, что прежде считалось очевидным…

Лишь после работ Уотсона, Крика и Ниренберга, раскрывших всю сложность процесса белкового синтеза, нам стало ясно, что здесь мы имеем дело с тончайшим механизмом воспроизведения - воспроизведения не столько самих организмов, сколько составляющих его молекул» .

Однако до 80-ых годов XX века, ввиду отсутствия экспериментально мотивированного ответа на вопрос о том, как сформировались в эволюции системы декодирования генетической информации нуклеиновых кислот в структурные параметры белков, проблема возникновения организмов, одновременно обладавших каталитическим и генетическим аппаратом, казалось неразрешимой. Возможность решения этой проблемы открывалась, если предположить, что на начальных этапах эволюции обе функции могли быть объединены, в каком-либо одном классе биополимеров. Следует сказать, что, несмотря на экспериментальные свидетельства абиотической конденсации аминокислот в каталитически активные полимеры, неспособность полипептидов (в отличие от полинуклеотидов) реплицироваться с образованием комплементарных последовательностей не позволяла рассматривать белки в качестве хранителя и переносчика генетической информации.

Сценарий развития жизни преобразовался. Вначале, по новой гипотезе, в условиях молодой Земли спонтанно появились короткие цепочки молекул РНК. Некоторые из них, опять же спонтанно, приобретали способность к катализу реакции собственного воспроизведения (репликации). Из-за ошибок при репликации некоторые из дочерних молекул отличались от материнских и обладали новыми свойствами, например, могли катализировать другие реакции.

Еще одно важнейшее свидетельство того, что "вначале была РНК", принесли исследования рибосом. Рибосомы - структуры в цитоплазме клетки, состоящие из РНК и белков и отвечающие за синтез клеточных протеинов. В результате их изучения было выявлено, что у всех организмов именно РНК, находящаяся в каталитическом центре рибосом, отвечает за главный этап в сборке белков - соединение аминокислот между собой. Открытие этого факта еще более упрочило позиции сторонников РНК-мира. Действительно, если спроецировать современную картину жизни на ее возможное начало, разумно предположить, что рибосомы - структуры, специально существующие в клетке, чтобы "расшифровывать" код нуклеиновых кислот и производить белок, - появились когда-то как комплексы РНК, способные к соединению аминокислот в одну цепочку. Так на основе мира РНК мог появиться мир белков.

Таким образом, имеется много достаточно веских теоретических доводов, чтобы считать молекулу РНК основоположницей жизни на Земле. В 1989 году нобелевский лауреат по химии Уолтер Гилберт, придумавший на основании идеи российских академиков Е.Д. Свердлова и А.Д. Мирзабекова, один из первых методов секвенирования ДНК, ввел в оборот выражение "мир РНК", имея в виду полноценный, самостоятельный и способный к эволюции мир доклеточной жизни.

Эти результаты не замедлили сказаться на теории происхождения жизни: "фаворитом" стала молекула РНК. В самом деле, была обнаружена молекула, способная нести генетическую информацию и вдобавок к этому катализировать химические реакции! Более подходящего кандидата для зарождения доклеточной жизни трудно было представить .

Плодотворной оказалась идея, высказанная К.Р. Вузом и несколько позже Л. Оргелем и окончательно сформулированная В. Гилбертом уже в 80-е годы. Согласно этой идее наличие каталитической функции у полинуклеотидов могло привести к формированию своеобразного «мира РНК» как основы эволюции первичной биосферы. Представления о существовании мира РНК исходят из предположения, что именно полинуклеотиды составляют химическую основу древнейших организмов, т.е. молекулы РНК функционировали как генетический материал и одновременно выполняли каталитические функции в присутствии генетически упорядоченных белков .

При наличии активированных аминокислот синтез пептидов не представляется трудной задачей. Активированные аминокислоты конденсируются даже в водных растворах с образованием коротких пептидов, а цепи длиной до 50 аминокислот образуются на минеральных поверхностях. Абстрактная схема биосинтеза белка в примитивных системах с участием каталитических РНК представлялась следующим образом. Примитивные РНК, аминоацилирующие сами себя активированными аминокислотами по аутокаталитическому механизму, могут выступать донорами и акцепторами аминокислот в реакциях переноса ацильных групп, катализируемых рибозимами .

Для признания РНК в качестве молекул, осуществляющих в примитивных системах синтез белков, показана возможность выполнение ими следующих функций: узнавание аминокислот, аминоацилирование тРНК, перенос ацильных групп, активация аминокислот и синтез пептидов.

Рибозимы способны катализировать и некоторые другие химические реакции, характерные для обмена веществ. Сегодня развиваются представления о том, что каталитический потенциал примитивных РНК мог быть существенно расширен за счет присоединения к их молекулам коферментных групп .

В Институте белка РАН А.Б. Четвериным с сотрудниками экспериментально в 90-е годы XX века была показана способность молекул РНК формировать молекулярные колонии на гелях или других твёрдых средах, если на этих средах им были предоставлены условия для репликации (все четыре рибонуклеотидтрифосфата, катионы магния (Mg++) и фермент РНК-зависимая РНК-полимераза). Дальнейшие исследования этой же группы исследователей показали, что молекулы РНК при столкновении в водной среде могут спонтанно обмениваться частями, то есть, обладают способностью к неэнзиматической рекомбинации. Возможность легкого распространения молекул РНК через среду, в том числе атмосферную, также было продемонстрирована в прямых экспериментах .

В теоретическом отношении это открытие в контексте мировой научной концепции о рибозимах ("РНК-мир") способствует возможности в корне пересмотреть теорию происхождения жизни на Земле. Смешанные колонии РНК на твёрдых или полутвёрдых носителях могли быть первыми эволюционизирующими бесклеточными ансамблями, где одни молекулы выполняли генетические функции (репликацию молекул РНК всего ансамбля), а другие формировали необходимые для успешного существования структуры (например, такие, которые адсорбировали нужные вещества из окружающей среды) или были рибозимами, ответственными за синтез и подготовку субстратов для синтеза РНК. Эта коммунальная форма существования мира РНК должна была очень быстро эволюционировать. В ходе этой молекулярной эволюции первую функцию РНК передала ДНК, а вторую - белкам. Что же стало с РНК после распада коммуны?

Хотя коммуна распалась, мир РНК сохранился в каждой клетке каждого живого организма. Основой современной жизни является наследуемый биосинтез белков, который определяет все признаки ныне существующих организмов. В качестве центрального звена этого процесса биосинтеза белков выступает совокупность взаимодействующих друг с другом молекул РНК различных типов, прежде всего рибосомной РНК, формирующей аппарат белкового синтеза, тРНК, доставляющей в рибосому активированные аминокислоты для построения полипептидных цепей белков, и мРНК, несущей в своей нуклеотидной последовательности программу для синтеза белка. Кроме этих трёх основных представителей внутриклеточного мира РНК, обнаружен целый ряд некодирующих РНК (нкРНК).

Оказалось, что нкРНК выполняют множество функций с использованием не известных ранее механизмов: нкРНК участвуют в регуляции транскрипции генов, сплайсинге и регуляции деградации РНК. Они вовлечены в трансляцию и её регуляцию, в процессинг и модификацию рибосомной РНК, в защиту от вирусных инфекций и мутагенной активности мобильных генетических элементов, а также в ряд других процессов. РНК явно потеснили белки на пьедестале главных молекул, обеспечивающих жизнедеятельность клеток .

Все рассмотренные аргументы подчёркивают важную, если не исключительную, роль РНК в происхождении жизни на земле.

Однако, несмотря на высокую популярность идеи РНК-мира, сторонники ДНК-овой и белковой теории не сдают свои позиции. Как оказалось ДНК может служить даже лучшим ферментом, чем РНК. При этом молекулы ДНК гораздо более устойчивы, чем молекулы РНК, что дает ДНК немалое преимущество. Исследования продолжаются.

3. Мир РНК - новые практические перспективы

нуклеиновый рнк наноколония

Можно сказать, что совокупность молекул РНК - мир РНК - по-прежнему составляет ядро жизни. Современная жизнь - это РНК, передавшая часть свих генетических функций рождённому ею же полимеру - ДНК и синтезирующая белки для всеобъемлющего эффективного функционирования содержащих её компонентов - клеток и многоклеточных организмов . Необычные древние особенности РНК нашли в последнее время эффективные практические приложения.

РНК-маркёры на основе наноколоний

С практической стороны, описанные выше наноколонии РНК в настоящее время составляют один из классов РНК-маркёров. Так как практически каждая наноколония происходит из одной матричной молекулы, с помощью наноколоний можно обнаружить и идентифировать одиночные молекулы ДНК и РНК, в том числе - с диагностическими целями. В настоящее время наноколонии применяются в нашей стране и за рубежом для различных научных и прикладных задач. Важнейшим направлением исследований является разработка ранней диагностики онколологических заболеваний.

В России от разных видов рака умирает около 300 000 человек в год, что представляет большую демографическую, экономическую социальную проблему. Лечение осложняется тем, что у большинства больных болезнь диагностируется уже на поздних стадиях. С развитием экономики проблема может только усугубляться, так как частота онкологических заболеваний растёт по мере ухудшения экологической обстановки и увеличения продолжительности жизни населения. Эффективность лечения рака зависит от своевременности диагностики. Однако до сих пор проблема ранней диагностики рака не решена.

Наноколонии РНК позволяют создать технологию молекулярной диагностики рака на стадии, когда его ещё невозможно обнаружить существующими методами. Диагностировать болезнь предполагается путём обнаружения в клинических образцах (например, в крови, в моче или в мокроте) молекул определённых индикаторных ("маркёрных") РНК, которые присутствуют во всех раковых клетках независимо от вида рака. Примером такого универсального маркёра является мРНК белковой субъединицы теломеразы - фермента, отвечающего за синтез концевых участков хромосом (теломер). Эта мРНК присутствует и в нормальных стволовых клетках, которые, подобно раковым клеткам, способны к неограниченному делению. Однако, в отличие от раковых клеток, стволовые клетки находятся в своих нишах и не распространяются по организму. Поэтому присутствие теломеразной мРНК там, где стволовых клеток быть не должно (например, в плазме или в клетках крови), может служить указанием на наличие злокачественного процесса. Существуют также РНК, которые могут служить групповыми маркёрами всех видов рака кишечника, или всех видов рака молочной железы, или всех видов рака печени. Попытки использовать РНК-маркёры для молекулярной диагностики рака были и раньше, но из-за ограниченной чувствительности и недостаточной специфичности стандартной ПЦР (полимеразной цепной реакции) они закончились неудачей.

Следует отметить исключительно высокий потенциал наноколоний для диагностики любых заболеваний, для которых существуют РНК- или ДНК-маркёры, в т.ч. инфекционных и генетических, а также мониторинга окружающей среды, решения задач судебной медицины, обнаружения следовых количеств генетически модифицированных организмов. Более того, наноколонии могут быть использованы для детекции молекул, отличных от РНК или ДНК. Например, молекула белка (в том числе белка-маркёра рака) может быть обнаружена путём размножения суррогатной ДНК-мишени, образованной лигированием фрагментов ДНК, способных одновременно связываться с данной молекулой белка посредством специфических лигандов (например, антител). Подобным же образом с помощью наноколоний можно обнаружить одиночные молекулы любого вещества (например, наркотика или допинга), достаточно сложные для формирования на своей поверхности, по крайней мере, двух участков специфического связывания лигандов .

4. В помощь антибиотикам

Важнейшей проблемой современности является быстрая эволюция бактерий в направлении приобретения устойчивости к антибиотикам, приводящая к возрождению многих заболеваний человека.

Профессор Йельского университета (США) Сидни Альтман, продолжая исследования в области каталитической способности РНК, стал разрабатывать способы борьбы с инфекционными заболеваниями (антибактериальная и антималярийная терапия), используя каталитические способности конкретного РНК-фермента - рибонуклеазы Р. Конечная цель - создать препарат, который мог бы быть альтернативой в случае устойчивости инфекции к антибиотикам. На конкретных объектах исследований разрабатываются фундаментальные основы подходов, которые могли бы быть общими для лечения многих инфекционных заболеваний. В перспективе синтезировать определённые соединения, которые могут быть легко модифицированы для борьбы, как с бактериями, так и с малярией. Это направление исследований представляет перспективную альтернативу применению в медицине антибиотиков, возможности которых стремительно тают. Сидни Альтман разрабатывает это важнейшее направление, в частности, совместно с Институтом химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (г. Новосибирск) .

Как зарождались знания, составляющие основу практического применения теорий и методов молекулярной биологии РНК

Лауреат Нобелевской премии за открытие рибозимных свойств РНК Сидни Альтман (Олтмен, 1939 г. р.) всегда был связан с Россией: его отец Виктор Альтман эмигрировал из СССР в 1934 году. Заняться молекулярной биологией начинающему учёному Альтману посоветовал русский физик Георгий Гамов.

В 1954 году, через год после открытия Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком двуспиральной структуры ДНК, в США Георгий Гамов (самый молодой член-корреспондент АН СССР, советский учёный-физик, покинувший СССР в 1933 году) неожиданно внёс существенный вклад в становление молекулярной биологии, впервые поставив задачу генетического кода. Он понял, что структуры белков, состоящих из 20 основных (природных) аминокислот - должна быть зашифрована в последовательности из четырёх возможных нуклеотидов, входящих в состав молекулы ДНК.

Исходя из простых арифметических соображений, Гамов показал, что при сочетании 4-ёх нуклеотидов тройками получается 64 различные комбинации, чего вполне достаточно для записи наследственной информации. Таким образом, он был первым, кто предложил кодирование аминокислотных остатков триплетами нуклеотидов .

Практически генетический код позволил расшифровать метод бесклеточной системы синтеза белка (in vitro). Первые результаты в этом направлении были получены в 1961 году, когда М. Ниренберг и Х. Матеи синтезировали упрощённую форму мРНК, состоящую из одинаковых нуклеотидов и обнаружили, что в её присутствии происходит образование длинной цепи белковоподобной молекулы, состоящей из аминокислот одного-единственного вида. Искусственная мРНК представляла собой полинуклеотид поли-У, в котором все нуклеотиды содержали только одно основание - урацил. Когда поли-У добавляли к экстракту из клеток бактерии E. coli (кишечная палочка) наряду с аминокислотами, а также соединения, способными служить источниками энергии, начинался синтез полипептидной цепи, построенной только из остатков аминокислоты фенилаланин. Так было обнаружено, что кодон УУУ соответствует фенилаланину.

Этот первый успех указал путь, следуя которому в скором времени удалось установить кодоны и для ряда других аминокислот; требовалось только перепробовать различные формы синтетических мРНК. В ближайшее время были открыты тРНК и установлено, что синтез белка в клетке начинается с формилметионина, открыты были инициирующие кодоны АУГ и ГУГ. Тогда возник вопрос, каким образом некоторые синтетические мРНК, например поли-У, которые, конечно, не содержат таких кодонов, ухитряются как-то заставлять рибосомы синтезировать полипептиды?

Вероятно, это происходит по ошибке - из-за того, что рибосомы ведут себя «не по инструкции». (Следовательно - ирония судьбы! - генетический код был расшифрован именно благодаря тому, что искусственные системы способны иногда так удачно ошибаться!). Каковы же те обстоятельства, которые приводят к тому, что эти системы совершают «нужные» ошибки?

Один из факторов был вскоре найден. Им оказалась высокая концентрация магния в бесклеточных системах. При высоком содержании магния способность строить полипептиды приобретают многие синтетические мРНК; при более низких концентрациях, синтез могут вести только те РНК, в которых присутствуют кодоны АУГ и ГУГ. Каким образом магний инициирует синтез? На этот вопрос нет однозначного ответа .

О различии молекулярных механизмов формирования морозоутойчивости озимой мягкой пшеницы и озимого ячменя

Итак, концентрация магния. Установлено, чем больше содержится магния в рРНК, тем активнее синтезируют белок (полифенилаланин) рибосомы зародышей пшеницы в бесклеточной системе синтеза белка (in vitro) на искусственной матрице (поли-У) . Вполне возможно, что концентрация катионов магния в клетке определяет интенсивность синтеза «ошибочных» полипептидов, предположительно расширяющих адаптационные свойства организмов .

Морозоустойчивость озимой мягкой пшеницы прямо пропорциональна периоду полужизни мРНК, но обратно пропорциональна периоду полужизни рРНК и содержанию катионов Mg++ в РНК . Вероятно, этим можно объяснить факт сортоспецифического усиления in vitro трансляционной активности полисом из проростков пшеницы и ячменя под влиянием закаливающей температуры , тогда как в этих условиях длина поли-А-хвоста мРНК (энхансера трансляции) у пшеницы увеличивалась, а у ячменя сокращалась . Но ячмень содержит гораздо больше катионов магния по сравнению с пшеницей , что, возможно, и определяло увеличение трансляционной активности рибосом ячменя.

Следовательно, увеличение трансляционной активности полирибосом может происходить как за счёт увеличения длины поли-А-хвоста мРНК как энхансера трансляции (пшеница), так и за счёт увеличения содержания катионов магния в рРНК (ячмень). Можно полагать, что озимый ячмень формирует морозоустойчивость на основе более древнего молекулярного механизма - адаптационного усиление трансляционной активности за счет вариации в содержании магния в рРНК .

Но озимая мягкая пшеница реагирует на закаливающие температуры сортоспецифическим усилением полиаденилирования мРНК . Этот молекулярный механизм, вероятно, более поздний и является более прогрессивным по сравнению с вариациями содержания магния в рРНК. Отсюда, возможно, и более высокая морозоустойчивость озимой мягкой пшеницы по сравнению с озимым ячменём.

Следовательно, изменение концентрации катионов магния в клетке противоположно действует на стабильность мРНК и рРНК. Увеличение концентрации магния приводит к стабилизации рРНК и дестабилизации мРНК.

Таким образом, есть основания полагать, что повышение морозостойкости сорта озимой мягкой пшеницы сопровождается стабилизацией мРНК и дестабилизацией рРНК. Предполагается, что стабилизация рРНК определяется укреплением молекулы за счёт катионов магния, в тоже время весьма вероятно, что катионы магния стимулируют укорочение терминальной поли-А-последовательности, определяющей стабильность и трансляционную активность мРНК, через усиление прочности определённых структур мРНК, определяющих скорость её деаденилирования. Такой структурой может быть шпилька в 3"-нетранслируемой области мРНК, с которой взаимодействуют белки, деаденилирующие мРНК .

Эта принципиально важная гипотеза требует детальной экспериментальной проверки.

Об особенностях молекулярной биологии озимой мягкой пшеницы сорта Безостая 1

«Генотип должен превалировать над средой».

Н.И. Вавилов

Одним из часто встречающихся, довольно досадным моментом при работе с РНК является их деградация в процессе хранения или манипулирования, даже в случае хорошо очищенных препаратов. Обычно это связывают с наличием РНКаз, занесенных с посудой и реактивами или попавших в препараты РНК в процессе выделения. Однако было показано, что применение мощного ингибитора РНКаз - диэтилпирокарбоната во время выделения РНК с последующей усиленной депротеинизацией полученных препаратов и использование растворов, реактивов и посуды, обработанной диэтилпирокарбонатом и протеиназой К, не приводит к полному предотвращению деградации РНК. Известно, что если все работы проводить с очищенным препаратом РНК при температуре 0-4оС, то указанной деградации не наблюдается. Следовательно, существует определенный оптимум условий для проявления данной РНКазной активности: РНК из животных клеток наибольшей деградации подвергаются при pH 8,5 в присутствии двухвалентных катионов: Ca++; Mg++ или Mn++..

В 90-е годы ХХ века было показано тождество закономерностей Mg-зависимого распада мРНК в живой клетке (in vivo) и в водных растворах (in vitro) . На протяжении последних сорока лет многие исследователи отмечали способность выделенной из клетки РНК разрушаться в присутствии катионов металлов . Но от внимания исследователей ускользал тот факт, что разрушение происходит по тем же законам, что и в живой клетке, отражая генетические особенности и физиологическое состояние организма. В фундаментальных науках всегда имел значение объект исследования. Удачность выбора объекта (или случай) определяет скорость и эффективность исследований, обширность и глубину полученной информации. Закономерности Mg-зависимого распада мРНК стали очевидными, когда объектами исследований оказались проростки двух сортов озимой мягкой пшеницы, контрастных по морозостойкости (высокоморозостойкий сорт Краснодарская 39 и среднеморозостойкий - Безостая 1).

Как показали исследования, норма реакции на закаливающие температуры у сорта Безостая 1 на молекулярном уровне относительно узка по всем компонентам белоксинтезирующей системы - от амплитуды изменения трансляционной активности полирибосом, длины поли-(А)-хвоста мРНК, стабильности мРНК до амплитуды колебаний электрофоретического спектра рРНК . Это происходит на фоне относительно высокого содержания катионов магния в зерне Безостой 1 и соответствует реальному районированию сортов: высоко морозоустойчивый сорт Краснодарская 39 (относительно низкое содержание магния в зерне) способен давать урожай вплоть до Самарской области, в то время как средне морозоустойчивый сорт Безостая 1 давал и даёт великолепные урожаи, но в относительно узкой южной полосе.

Особенности сорта Безостая 1 образно можно представить как глухонемого человека в группе пахарей. Товарищи отвлекаются на различные развлекательные и опасные аспекты жизни, а глухонемой пашет и пашет. Поэтому в конечном итоге выясняется, что он вспахал больше всех. Но это только при условии относительно благоприятных обстоятельств.

Этот вывод позволяет объективно понять природу феномена сорта Безостая 1 и, отталкиваясь от этих знаний, заложить основу понимания сакральных молекулярно-биологических процессов, лежащих в основе селекции и определяющих её будущие успехи. Таким образом, Безостая 1 фактом своего существования великолепно подтверждает вывод, сделанный Н.И. Вавиловым в 30-ых годах ХХ века: «Генотип должен превалировать над средой».

Фундаментальные исследования молекулярной биологии РНК сорта Безостая 1 привели к прикладным исследованиям, способствовали формированию элементов молекулярных основ теории морозоустойчивости и возможности разработки простых методов оценки морозоустойчивости сортов озимой мягкой пшеницы по содержанию нуклеиновых кислот и катионов магния в зрелом зерне .

В фундаментальном плане, эти исследования привели к открытию закономерностей Mg++-зависимого распада мРНК и рРНК in vitro (система ommp) . Это событие в методологии способствовало созданию фундамента для развития новой главы в молекулярной физиологии сельскохозяйственных растений, так как новые шаги в методологии, как правило, ведут за собой длинную цепь новых фактов, которые дополняют и изменяют научное мировоззрение, предоставляют принципиально новые возможности для практики.

Молекулярные маркеры (ДНК-овые, белковые) являются чрезвычайно эффективным инструментом генетических исследований растений. Однако их статичность не позволяет количественно оценить важнейшие свойства культурных злаков (например, стрессоустойчивость и фотопериодизм). Как познание электричества и развитие электротехники стало возможным только с появлением электродинамики на основе электростатики, так и статичные молекулярные маркеры должны быть существенно дополнены молекулярно-кинетическими маркерами, способными количественно оценить экспрессию основных регуляторных генов или дать интегральную характеристику всех экспрессирующихся генов определенного генотипа в конкретных условиях роста.

Весьма существенным шагом в познании природы самораспада мРНК стало установление факта вариабельности содержания катионов магния (Mg++) в РНК (рибосомной и матричной) в зависимости от генотипа (сорта) и условий окружающей среды. С практической точки зрения очень важным представляется использование этого показателя (количество катионов магния) для долгоживущей высокополимерной РНК зрелого зерна пшеницы в целях оценки степени морозостойкости сорта: чем выше содержание катионов магния, тем ниже морозостойкость сорта .

5. РНК-интерференция

В настоящее время многие проблемы практики решаются путём активного вмешательства в метаболизм живых организмов при помощи методов генной инженерии на основе явления РНК-интерференции, регулирующего экспрессию генов через усиление распада мРНК определённых генов .

Сейчас очевидно, что перестало быть проблемой установление первичной структуры гена, но всё ещё остаётся проблема, как узнать его функцию и как ею управлять. Первое десятилетие ХХI века ознаменовано стремительным прорывом в важнейшую биологическую проблему - регуляцию экспрессии генов с помощью явления РНК-интерференции и основанных на этом явлении методов "нокаутов" - техники, позволяющей выводить из строя экспрессию заранее выбранного гена, а затем смотреть, как это скажется на организме.

В 1998 году была обнаружена способность молекул двухцепочечных РНК (дцРНК), инъецированных в организм нематоды Caenorhabditis elegans, эффективно подавлять экспрессию гомологичных по нуклеотидной последовательности генов (явление РНК-интерференции).

Впоследствии те же эффекты дцРНК были отмечены у других животных, а также у растений, грибов и простейших.

В 2006 году Нобелевская премия в области биологии (по физиологии и медицине) присуждена американским учёным Эндрю Файру и Крейгу Меллоу за открытие явления РНК - интерференции, представляющей собой молекулярный механизм, контролирующий в живой клетке поток генетической информации через закономерный распад специфических мРНК и предоставляющий принципиально новые возможности регуляции экспрессии генов в практических целях .

Суть явления, механизм которого пока изучен очень слабо, состоит в том, что короткие (20-30 нуклеотидов) двуспиральные РНК определённой структуры вызывают распад мРНК мишени - гена, экспрессию которого необходимо подавить. Это широко распространённое в природе явление (по-видимому, от бактерий до млекопитающих) может эффективно использоваться для идентификации новых генов, выяснения их функциональной роли и управления их экспрессией in vitro и in vivo.

Исследования этого явления позволяют в настоящее время решать проблемы медицины (новый класс лекарств) и сельского хозяйства (новые пути создания зерна злаков с высокими питательными свойствами).

Работы по созданию высоколизиновых злаков на основе ряда мутаций, зерно которых отличалось повышенной питательной ценностью, потерпели неудачу. Это объясняется плейотропным действием мутаций типа мутации регуляторного гена opaque-2 в зерне кукурузы, когда дифференциальный распад мРНК под действием повышенной активности РНКаз приводит с одной стороны к положительным эффектам (повышенное содержание в зерне незаменимой аминокислоты - лизина), но с другой стороны к отрицательным эффектам - нарушение синтеза крахмала, определяющего физические свойства зерна (прочность) и урожай .

РНК-интерференция позволяет целенаправленно уничтожать мРНК, белки которых снижают содержание лизина в зерне (запасные белки, ферменты катаболизма аминокислот), не «задевая» при этом мРНК ферментов, ответственных за синтез крахмала.

Такой первый трансгенный сорт кукурузы LYD38 с повышенным содержанием лизина был выведен на рынок в 2005 году . Однако негативное общественное мнение, озабоченность возможным вредным влиянием генно-модифицированных продуктов на здоровье человека сдерживает развитие этого направления выхода в практику.

К тому же оказалось, что РНК-препараты слишком токсичны. Даже длины в 20-30 нуклеотидов недостаточно для полной селективности по отношению к целевой РНК, и среди миллиардов пар нуклеотидов в геноме обязательно найдутся другие мишени, связывание с которыми вызывает неприятные побочные эффекты.

Так в медицине те немногие препараты на основе РНК-интерференции, что дошли до рынка, были с него отозваны. Возможно, в будущем проблемы с неспецифичным связыванием РНК и недостаточной адресной доставкой будут решены и мы увидим больше модифицированных растений и животных, а также специфических препаратов на основе РНК-интерференции.

Принципиально новые, удивительные факты были получены китайскими исследователями из Нанкинского университета, которые обследовали 50 добровольцев и обнаружили в их крови и тканях микроРНК (РНК-интерференции) растительного происхождения.

Это и само по себе стало изрядной неожиданностью, поскольку до сих пор считалось, что все растительные ДНК и РНК, попадающие в организм человека с пищей, полностью разлагаются, разрушаются в процессе переваривания. Но еще большее удивление вызвал тот факт, что эти растительные микроРНК участвуют в регуляции метаболизма человека наравне с его собственными микроРНК. Это открытие заставляет совершенно по-новому взглянуть на роль питания в жизни человека: существует шесть классов питательных веществ - белки, жиры, углеводы, витамины, минеральные вещества и вода. Однако теперь выясняется, что еще и растительные микроРНК, судя по всему, оказывают на активность наших генов, а значит, и на наш обмен веществ, самое непосредственное воздействие. Это дает основание считать их седьмым классом питательных веществ.

В частности, было обнаружено у всех обследованных добровольцев в плазме крови и клетках печени микроРНК типа MIR168a. Весьма обильно эти молекулы присутствуют в рисе. Опыты на трансгенных мышах показали, что в организме человека MIR168a блокирует синтез чрезвычайно важного белка - так называемого клеточного рецептора липопротеинов низкой плотности. Этот белок самым непосредственным образом связан с транспортировкой холестерина и его расщеплением в печени. Таким образом, потребление риса в пищу не только обеспечивает организм человека пластическими веществами и энергией, но и регулирует активность одного из важных генов, влияя тем самым на обмен веществ и на здоровье человека. Ведь повышенный уровень содержания в крови липопротеинов низкой плотности увеличивает риск атеросклероза .

Как растительные микроРНК умудряются уцелеть в пищеварительном тракте человека и проникнуть оттуда в кровь, пока неясно. Возможно, что эти растительные микроРНК могут захватываться клетками эндотелия сосудов кишечной стенки. При этом мембраны эндотелиальных клеток формируют особые внеклеточные структуры, в которые, как в оболочку, заключаются микроРНК. В таких миниатюрных пузырьках, называемых экзосомами, микроРНК поступают в кровоток.

Это открытие позволяет по-новому объяснить лечебные свойства лекарственных трав, широко применяемых в традиционной китайской медицине. Собственно, идея использовать микроРНК в качестве биологически активного компонента лекарств обсуждается в фармацевтике уже давно. Но до сих пор все эксперименты упирались в одну неразрешимую проблему: как доставить микроРНК точно и целенаправленно в нужное место в организме. Исследования китайских учёных показали, что природа уже давно предусмотрительно создала такие пути и что функция пищи, очевидно, не сводится к одному лишь обеспечению организма пластическими веществами и энергией.

Заключение

Развитие исследований РНК, интенсивно начавшиеся в самом начале 80-ых годов XX века, привело к формированию концепцции «Мир РНК». В теоретическом отношении в контексте мировой научной концепции о рибозимах это способствует возможности в корне пересмотреть теорию происхождения жизни на Земле. Основой современной жизни является наследуемый биосинтез белков, который определяет все признаки ныне существующих организмов. В качестве центрального звена этого процесса биосинтеза белков выступает совокупность взаимодействующих друг с другом молекул РНК различных типов. Можно сказать, что совокупность молекул РНК - мир РНК - по-прежнему составляет ядро жизни. Современная жизнь - это РНК, передавшая часть свих генетических функций рождённому ею же полимеру - ДНК и синтезирующая белки для всеобъемлющего эффективного функционирования содержащих её компонентов - клеток и многоклеточных организмов .

В практическом плане необычные древние особенности РНК нашли в последнее время эффективные практические приложения. Исследования магний-зависимого самораспада РНК в водных растворах позволяют говорить о развитии молекулярно-кинетических маркёров, позволяющих количественно оценивать эффект взаимодействия «генотип-среда» у растений и животных. Изучение системы РНК-интерференции и её применения находится на самой ранней стадии, но этому открытию суждено сыграть в постгеномную эру такую же ключевую роль, какую открытие рестриктаз сыграло в эпоху возникновения генной инженерии и биотехнологии. Безусловно, трудностей на этом пути много. Но, ни одна не выглядит непреодолимой.

Литература

1) Алексеенко Ж.В. Дифференциальный распад мРНК злаков in vitro как молекулярно-кинетический маркёр эффекта взаимодействия «генотип-среда» // Автореф. дис. на соиск. степени канд. биол. наук. Краснодар. Кубанский агроуниверситет. 2003. 27с.

2) Бакалдина Н.Б., Алексеенко Ж.В., Плотников В.К. Холодоиндуцированные изменения стабильности мРНК субъединицы альфа фактора элонгации трансляции 1 у проростков пшеницы и ячменя // Физиология растений. 2001. т. 48, № 6. C. 879-885.

3) Бернал Д. Возникновение жизни, Мир, 1969, 391 с.

4) Григорович С. Вначале была РНК? В поисках молекулы первожизни // Наука и жизнь, 2004, №2, с.5-10.

5) Киль В.И., Бибишев В.А., Плотников В.К. Неспецифический прирост трансляционной активности полисом проростков пшеницы и ячменя под действием стрессов // Физиология растений, 1991, т. 38, вып. 4, С.730-735.

6) Колесова О. Удача не иначе // Газета «Поиск», 2014, № 23 (1305), с. 18.

7) Крицкий М.С., Телегина Т.А. Коферменты и эволюция мира РНК // Успехи современной биологии. 2004. Т. 44. С. 341-364.

8) Кузнецов В.В. РНК-интерференция. Использование метода для создания нокаутных организмов и клеточных линий // Биохимия. 2003. Т. 68. Вып. 10. С. 1301-1317.

9) Насонов А.И. Гетерогенность свойств основных РНК-компонентов белоксинтезирующей системы клетки в связи с биологическими особенностями зерновых культур. Дисс. ... канд. биол. наук, Саратов, ИБФРМ РАН, 2008. 145 с.

10) Насонов А.И. Гетерогенность свойств РНК зерновых культур. Связь с биологическими особенностями линий и сортов, Saarbruken, LAP Lambert Academic Publishing, 2010. 190 с.

11) Насонов А.И., Полежаев С.Л., Радуль А.П., Рядчиков В.Г., Плотников В.К. Взаимосвязь содержания катионов магния (Mg++), стабильности РНК и интенсивности метаболизма в клетках эукариот // Труды Кубанского государственного аграрного университета, 2008, № 2(11), С.104-110.

12) Насонов А.И., Евтушенко Я.Ю., Серкин Н.В., Плотников В.К. Особенности состава зерна среднеморозоустойчивых сортов ячменя // Труды Кубанского государственного аграрного университета, 2012, Т. 1, № 38, с. 104 - 106.

13) Насонов А.И., Степанов И.В., Евтушенко Я.Ю., Плотников В.К. Дифференциальная стабильность 25S и 18S рибосомной РНК растений // Труды Кубанского аграрного университета, 2012, т. 1., № 38, С. 121-125.

14) Плотников В.К. Стабильность мРНК как фактор регуляции экспрессии генов в клетках эукариот//Успехи современной биологии, 1992, т. 112, вып. 2, с. 186-199.

15) Плотников В.К. Генетико-физиологическая детерминация распада мРНК злаков in vitro//Успехи современной биологии, 2003, Т. 123, № 1, с. 98-109.

16) Плотников В.К. Биология РНК зерновых культур, Краснодар, Издательство «Эдви», 2009, 375 с.

17) Плотников В.К. Самое главное событие в биологии ХХ века // Журнал стресс-физиологии и биохимии, 2013, Т.9, № 2, С. 5-14.

18) Плотников В.К. Евгений Витальевич Ананьев (1947-2008). Письма в Вавиловский журнал. 2016. http: //www.bionet.nsc.ru/vogis/download/

history_of_Genetics/appx_4.pdf

19) Плотников В.К., НасоновА.И., Ладатко А.Г. Вариабельность содержания катионов магния (Mg++) в РНК проростков озимой мягкой пшеницы //Сборник статей по материалам конференции «Аминокислотное питание животных и проблема белковых ресурсов», (23 марта, 2004, Краснодар) Краснодар, 2005, с.349 - 352.

20) Плотников В.К., Насонов А.И., Кузембаева Н.А., Букреева Г.И., Каленич В.И., Беспалова Л.А. Особенности молекулярной физиологии озимой мягкой пшеницы сорта Безостая 1 // Сб. материалов международной конференции «Безостая 1 - 50 лет триумфа», Краснодар, 2005, с.212 - 220.

21) Плотников В.К., Насонов А.И., Иваненко Е.Е., Кузембаева Н.А., Букреева Г.И., Каленич В.И. Взаимосвязь морозостойкости озимой мягкой пшеницы с содержанием катионов магния в РНК // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии, Москва, 2008, Вып. 2, С. 89-92.

22) Плотников В.К., Евтушенко Я.Ю., Салфетников А.А., Репко Н.В., Насонов А.И. Биологические маркёры для селекции на морозоустойчивость озимых форм мягкой пшеницы и ячменя // Научный журнал КубГау, 2014, № 104, С. 1855-1887.

23) Плотников В.К., Салфетников А.А. 60 лет в строю: особенности молекулярной биологии озимой мягкой пшеницы сорта Безостая 1 // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета, 2016, № 118, С. 627-657.

24) Плотников В.К., Смирнова Е.В., Репко Н.В., Салфетников А.А. Сортоспецифичность действия трилона Б на прорастания семян озимого ячменя // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета, 2016, № 120, С. 706-729.

25) Рядчиков В.Г., Плотников В.К. Экспрессия генов эукариот при аминокислотном имбалансе, 2014, Краснодар, КубГАУ, 375 с.

26) Сковорода Г. Хорошо сказано // Газета «Поиск», 2016, №41.

...

Подобные документы

Проблема происхождения жизни. Гипотеза А.И. Опарина о коацерватной стадии в процессе возникновения жизни. Этапы химической и предбиологической эволюции на пути к жизни. Гипотеза о роли малых молекул в первичном зарождении белково-нуклеиновых систем.

реферат , добавлен 02.01.2008


Пространственное упорядочение двухцепочечных молекул нуклеиновых кислот в результате "энтальпийной конденсации" и наноконструкции на основе этих молекул. Области применения наноконструкции на основе двухцепочечных молекул ДНК. Нуклеиновые кислоты.

курсовая работа , добавлен 15.12.2014


Основные виды нуклеиновых кислот. Строение и особенности их строения. Значение нуклеиновых кислот для всех живых организмов. Синтез белков в клетке. Хранение, перенос и передача по наследству информации о структуре белковых молекул. Строение ДНК.

презентация , добавлен 19.12.2014


Особенности применения метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для исследования нуклеиновых кислот, полисахаридов и липидов. Исследование методом ЯМР комплексов нуклеиновых кислот с протеинами и биологических мембран. Состав и структура полисахаридов.

курсовая работа , добавлен 26.08.2009


Нуклеотиды как мономеры нуклеиновых кислот, их функции в клетке и методы исследования. Азотистые основания, не входящие в состав нуклеиновых кислот. Строение и формы дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК). Виды и функции рибонуклеиновых кислот (РНК).

презентация , добавлен 14.04.2014


История изучения нуклеиновых кислот. Состав, структура и свойства дезоксирибонуклеиновой кислоты. Представление о гене и генетическом коде. Изучение мутаций и их последствий в отношении организма. Обнаружение нуклеиновых кислот в растительных клетках.

контрольная работа , добавлен 18.03.2012


Сведения о нуклеиновых кислотах, история их открытия и распространение в природе. Строение нуклеиновых кислот, номенклатура нуклеотидов. Функции нуклеиновых кислот (дезоксирибонуклеиновая - ДНК, рибонуклеиновая - РНК). Первичная и вторичная структура ДНК.

реферат , добавлен 26.11.2014


Понятие и особенности строения нуклеиновых кислот, их составные элементы и их внутреннее взаимодействие. Значение данных соединений в организме, история их открытия и основные этапы исследований. Длина молекул ДНК. Сущность принципа комплементарности.

презентация , добавлен 27.12.2010


Проблема происхождения жизни на Земле. Возможности существования жизни в других областях Вселенной. Креационизм. Теория стационарного состояния, самопроизвольного самозарождения, панспермии. Современные возрения на происхождение жизни на Земле.

реферат , добавлен 04.10.2008


Изучение физических и физико-химических процессов, лежащих в основе жизни. Рассмотрение структуры и свойств биологически важных молекул, межклеточного взаимодействия, передачи информации в каналах связи. Механизмы воздействия на организм факторов среды.

Курсовой проект - Органический мир докембрия (Курсовая)

Презентация - Мир ислама (Реферат)

Реферат - Важнейшие достижения в освоении космоса (Реферат)

Реферат - Произведения К.Д. Ушинского в детском чтении (Реферат)

Шпоры по генетике c\х животных (Шпаргалка)

Шпаргалки по биохимии (Шпаргалка)

Реферат - Неоевразийство. Идея пассионарности Л.Н. Гумилева (Реферат)

Дюв Кристиан де. Путешествие в мир живой клетки (Документ)

n1.doc

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Биологический факультет

«Мир РНК». Свойства РНК, отвечающие требованиям первых молекул жизни. Модель возникновения аппарата биосинтеза белка (по А.С. Спирину).

Подготовила:

Студентка 4 курса 2 группы

Стрельцова Д. Е.

Минск, 2010

Структура РНК.

Обе нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК – были открыты швейцарским биохимиком Фридрихом Мишером в 1869 году, задолго до выяснения их роли в передаче наследствен ной информации. А наиболее полную информацию об их химическом строении получил Фабус Арон Теодор Левин (1869-1940), американский ученый, родившийся в России и получивший образование в Петербурге.

Нуклеиновые кислоты синтезируются в клетке из нуклеотидов - комплексов азотистого основания, сахара и остатков фосфорной кислоты, служащих универсальными блоками для построения ДНК и РНК. Существуют пять видов азотистых оснований – аденин, тимин, гуанин, цитозин и урацил .

РНК – крупные макромолекулы, каждая из которых представляет собой одну ковалентно-непрерывную полинуклеотидную цепь. В совокупности исследования физико-химических свойств и структурных характеристик изолированных высокополимерных РНК в растворе, выполненные в 1958-1962 гг., привели к формулированию следующих общих принципов их пространственной организации:

РНК, в отличие от ДНК, – одноцепочечный полимер,

РНК формирует вторичную структуру – набор коротких спиральных участков – в основном за счет антипараллельного комплементарного спаривания смежных отрезков цепи;

РНК способна образовывать третичную структуру за счет дальних комплементарных взаимодействий внутри цепи и межспиральных взаимодействий;

Высокополимерная РНК способна сворачиваться в компактные частицы;

РНК обладает значительной конформационной подвижностью.

Способность РНК к формированию компактных трехмерных структур, как и в случае белков, дает основу для специфического взаимодействия с другими молекулами – макромолекулами и малыми лигандами. Для молекул РНК, свернутых в специфическую глобулу, благодаря чему на ее поверхности создается уникальный пространственный узор, приходится допустить возможность функции молекулярного узнавания, как и у белков. В свою очередь, высокоизбирательное узнавание приводит к возможности специфического катализа химических реакций на манер ферментативного катализа реакций белками.

Окончательное признание за РНК способности узнавать самые разнообразные молекулы и весьма специфично взаимодействовать с ними пришло благодаря аптамерам – небольшим по размерам синтетическим РНК, получаемым путем отбора из многих вариантов нуклеотидных последовательностей с помощью процедур так называемой «бесклеточной эволюции», «эволюции в пробирке». Оказалось, что можно отобрать и размножить РНК, обладающие способностью избирательно связывать практически любой вид молекул, начиная от низкомолекулярных органических соединений и кончая различными индивидуальными пептидами и белками. Другими словами, РНК, как и белки, действительно в полной мере могут обладать функцией специфического молекулярного узнавания .

Функции РНК.

Суммирование и обзор знаний о функциях РНК позволяют говорить о необыкновенной многофункциональности этого полимера в живой природе. Можно дать следующий список основных известных функций РНК:

1. 
   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.
2. 
   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.
3. 
   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.
4. 
   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.
5. 
   каталитическая функция: специфический катализ химических реакций рибозимами. Данная функция аналогична энзиматической функции белков-ферментов.

Как можно 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 ?
Мир РНК и эволюция в пробирке

Метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), который позволяет размножать нуклеиновые кислоты в неограниченных количествах. Кратко опишем суть метода. Для размножения ДНК в методе ПЦР используются ферменты ДНК-полимеразы, т. е. те самые ферменты, которые при размножении клеток синтезируют из активированных мономеров-нуклеотидов комплементарные цепочки ДНК.

При методе ПЦР в пробирку с ДНК вносят смесь активированных нуклеотидов, фермент ДНК-полимеразу и так называемые праймеры –олигонуклеотиды, комплементарные концам размножаемой ДНК. При нагревании раствора цепи ДНК расходятся. Затем, при охлаждении, с ними связываются праймеры, образуя короткие фрагменты спиральных структур. Фермент присоединяет к праймерам нуклеотиды и собирает цепочку, комплементарную цепочке исходной ДНК. В результате реакции из одной двухцепочечной ДНК получается две.

Изобретение ПЦР и разработка методов химического синтеза ДНК позволили создать потрясающую технологию молекулярной селекции. Принцип молекулярной селекции тоже прост: сначала синтезируется множество молекул, обладающих разными свойствами (так называемая молекулярная библиотека), а затем из этой смеси отбираются молекулы с желаемым свойством.

Библиотеки нуклеиновых кислот – это смеси молекул, имеющих одинаковую длину, но отличающиеся последовательностью нуклеотидов. Так как в зависимости от состава нуклеиновые кислоты сворачиваются в разные пространственные структуры, синтез статистических последовательностей дает огромное множество молекул, различающихся по свойствам. С образовавшихся ДНК – с помощью фермента РНК-полимеразы – считывается РНК. В результате получается библиотека уже одноцепочечных РНК. Далее производится процедура отбора: раствор РНК пропускается через колонку, в которой находится нерастворимый носитель с химически присоединенными молекулами-мишенями, чтобы «выловить» так называемый будущий аптамер, т. е. вещество, способное связывать определенные молекулы. Затем колонку промывают для удаления несвязавшихся РНК, и удаляют РНК, задержавшиеся на колонке за счет связывания с целевыми молекулами (это можно сделать, например, нагревая колонку).

С выделенных РНК делают ДНК-копии и получают из них обычные двуцепочеченые молекулы ДНК. С последних же можно считывать искомые РНК-аптамеры, а затем – размножать их методом ПЦР в неограниченных количествах.

С помощью такого метода были получены тысячи разных РНК-аптамеров, которые образуют специфические комплексы с различными органическими соединениями и молекулами.

Рассмотренная схема молекулярной селекции может быть применена для получения молекул с любыми свойствами. Например, были получены РНК, способные катализировать реакции синтеза РНК и белков: присоединение азотистых оснований к рибозе, полимеризацию активированных нуклеотидов на цепочках РНК, присоединение аминокислот к РНК. Эти исследования еще раз подтвердили, что в условиях предбиологической эволюции из случайных полимеров могли возникать молекулы РНК со специфическими структурами и функциями .
Мир РНК как предшественник современной жизни.

Согласно представлениям, сформировавшимся в 50–60 годы XX века, функции двух важнейших биополимеров – нуклеиновых кислот и белков – строго разграничены: за первыми закрепилась роль хранителя генетической информации, а каталитическая функция была приписана исключительно белкам. Значительно более плодотворной оказалась идея, высказанная К.Р. Вузом и несколько позже Л. Оргелем и окончательно сформулированная В. Гилбертом уже в 80-е годы. Согласно этой идее наличие каталитических функций у полинуклеотидов могло привести к формированию своеобразного «мира РНК» как основы эволюции первичной биосферы .

В начале 80-х годов прошлого века, в лабораториях Т. Чека и С. Олтмана в США было сделано сенсационное открытие, осуществившее революцию в биохимии и молекулярной биологии: было показано, что РНК может быть специфическим катализатором биохимических реакций. В течение всей предшествующей истории биохимии на протяжении десятилетий утверждалось, что биохимический катализ – «прерогатива» исключительно белков-ферментов. Поэтому и все теории происхождения жизни вынуждены были исходить из первичности белков как макромолекул, абсолютно необходимых для возникновения биохимического метаболизма (обмена веществ). Открытие каталитической функции РНК перевернуло все прежние представления об исключительной роли белков не только в возникновении жизни, но и в понимании самого явления жизни.

По аналогии с белками-ферментами – энзимами – каталитические РНК были названы рибозимами. По-видимому, почти все рибозимы, естественно существующие в живой природе в клетках современных организмов, так или иначе участвуют в процессах, связанных с превращениями полинуклеотидных цепей самих РНК.

Эти результаты не замедлили сказаться на теории происхождения жизни: «фаворитом» стала молекула РНК. В самом деле, была обнаружена молекула, способная нести генетическую информацию и вдобавок к этому катализировать химические реакции! Более подходящего кандидата для зарождения доклеточной жизни трудно было представить .

Итак, почему именно РНК, а не ДНК, могла представлять собой первичный генетический материал?

Во-первых, и в химическом синтезе, и в биохимических реакциях рибонуклеотиды предшествуют дезоксирибонуклеотидам; дезоксирибонуклеотиды – продукты модификации рибонуклеотидов (см. рис. 2).

Во-вторых, в самых древних, универсальных процессах жизненного метаболизма широко представлены именно рибонуклеотиды, а не дезоксирибонуклеотиды, включая основные энергетические носители типа рибонуклеозид-полифосфатов (АТФ и т.п.).

В-третьих, репликация РНК может происходить без какого бы то ни было участия ДНК, а механизм редупликации ДНК даже в современном живом мире требует обязательного участия РНК-затравки в инициации синтеза цепи ДНК.

В-четвертых, обладая всеми теми же матричными и генетическими функциями, что и ДНК, РНК способна также к выполнению ряда функций, присущих белкам, включая катализ химических реакций. Таким образом, имеются все основания рассматривать ДНК как более позднее эволюционное приобретение – как модификацию РНК, специализированную для выполнения функции воспроизведения и хранения уникальных копий генов в составе клеточного генома без непосредственного участия в биосинтезе белков.

Возможная схема возникновения мира РНК представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схематическое представление пути происхождения жизни согласно современной концепции первичности мира РНК

Абиогенный синтез рибонуклеотидов и их ковалентное объединение в олигомеры и полимеры типа РНК могли происходить приблизительно в тех же условиях и в той же химической обстановке, что постулировались для образования аминокислот и полипептидов. Недавно А.Б. Четверин с сотрудниками (Институт белка РАН) экспериментально показали, что по крайней мере некоторые полирибонуклеотиды (РНК) в обычной водной среде способны к спонтанной рекомбинации, то есть обмену отрезками цепи, путем трансэстерификации. Обмен коротких отрезков цепи на длинные, должен приводить к удлинению полирибонуклеотидов (РНК), а сама подобная рекомбинация способствовать структурному многообразию этих молекул. Среди них могли возникать и каталитически активные молекулы РНК.

Даже крайне редкое появление единичных молекул РНК, которые были способны катализировать полимеризацию рибонуклеотидов или соединение (сплайсинг) олигонуклеотидов на комплементарной цепи как на матрице, означало становление механизма репликации РНК. Репликация самих РНК-катализаторов (рибозимов) должна была повлечь за собой возникновение самореплицирующихся популяций РНК. Продуцируя свои копии, РНК размножались. Неизбежные ошибки в копировании (мутации) и рекомбинации в самореплицирующихся популяциях РНК создавали все большее разнообразие этого мира. Таким образом, предполагаемый древний мир РНК – это «самодостаточный биологический мир, в котором молекулы РНК функционировали и как генетический материал, и как энзимоподобные катализаторы» .

Возникновение биосинтеза белка.

Далее на основе мира РНК должно было происходить становление механизмов биосинтеза белка, появление разнообразных белков с наследуемой структурой и свойствами, компартментализация систем биосинтеза белка и белковых наборов, возможно, в форме коацерватов (праорганизмов) и эволюция последних в клеточные структуры – живые клетки (см. рис. 1).

Проблема перехода от древнего мира РНК к современному белок-синтезирующему миру – наиболее трудная даже для чисто теоретического решения. Возможность абиогенного синтеза полипептидов и белковоподобных веществ не помогает в решении проблемы, так как не просматривается никакого конкретного пути, как этот синтез мог бы быть сопряжен с РНК и подпасть под генетический контроль. Генетически контролируемый синтез полипептидов и белков должен был развиваться независимо от первичного абиогенного синтеза, своим путем, на базе уже существовавшего мира РНК. В литературе предложено несколько гипотез происхождения современного механизма биосинтеза белка в мире РНК, но, пожалуй, ни одна из них не может рассматриваться как детально продуманная и безупречная с точки зрения физико-химических возможностей. Представлю свою версию процесса эволюции и специализации РНК, ведущего к возникновению аппарата биосинтеза белка (рис. 2), но и она не претендует на законченность.

Предлагаемая гипотетическая схема содержит два существенных момента, кажущихся принципиальными.

В
о-первых, постулируется, что абиогенно синтезируемые олигорибонуклеотиды активно рекомбинировали посредством механизма спонтанной неэнзиматической трансэстерификации, приводя к образованию удлиненных цепей РНК и давая начало их многообразию. Именно этим путем в популяции олигонуклеотидов и полинуклеотидов и могли появиться как каталитически активные виды РНК (рибозимы), так и другие виды РНК Рис. 2. Схема эволюции и специализации молекул РНК в процессе перехода от древнего мира РНК к современному миру генетически детерминированного биосинтеза белков
со специализированными функциями (см. рис. 2). Более того, неэнзиматическая рекомбинация олигонуклеотидов, комплементарно связывающихся с полинуклеотидной матрицей, могла обеспечить сшивание (сплайсинг) фрагментов, комплементарных этой матрице, в единую цепь. Именно таким способом, а не катализируемой полимеризацией мононуклеотидов, могло осуществляться первичные копирование (размножение) РНК. Разумеется, если появлялись рибозимы, обладавшие полимеразной активностью, то эффективность (точность, скорость и продуктивность) копирования на комплементарной матрице должна была значительно возрастать.

Второй принципиальный момент в моей версии состоит в том, что первичный аппарат биосинтеза белка возник на базе нескольких видов специализированных РНК до появления аппарата энзиматической (полимеразной) репликации генетического материала – РНК и ДНК. Этот первичный аппарат включал каталитически активную прорибосомную РНК, обладавшую пептидил-трансферазной активностью; набор про-тРНК, специфически связывающих аминокислоты или короткие пептиды; другую прорибосомную РНК, способную взаимодействовать одновременно с каталитической прорибосомной РНК, про-мРНК и про-тРНК (см. рис. 2). Такая система уже могла синтезировать полипептидные цепи за счет катализируемой ею реакции транспептидации. Среди прочих каталитически активных белков – первичных ферментов (энзимов) – появились и белки, катализирующие полимеризацию нуклеотидов – репликазы, или НК-полимеразы.

Впрочем, возможно, что гипотеза о древнем мире РНК как предшественнике современного живого мира так и не сможет получить достаточного обоснования для преодоления основной трудности - научно правдоподобного описания механизма перехода от РНК и ее репликации к биосинтезу белка. Имеется привлекательная и детально продуманная альтернативная гипотеза А.Д. Альтштейна (Институт биологии гена РАН), в которой постулируется, что репликация генетического материала и его трансляция – синтез белка – возникали и эволюционировали одновременно и сопряженно, начиная с взаимодействия абиогенно синтезирующихся олигонуклеотидов и аминоацил-нуклеотидилатов – смешанных ангидридов аминокислот и нуклеотидов .

Заключение

Как видим, теория РНК-мира пока полна противоречий и неясностей. Однако, учитывая все сложности на пути синтеза олигонуклеотидов можно понять Фреда Хойла, известного британского астрофизика и писателя, утверждавшего, что теория РНК-мира «столь же нелепа, как и предположение о возможности сборки «Боинга 747» ураганом, пронесшимся над мусорной свалкой».

В довершение всех проблем сторонников этой теории повергли в уныние свидетельства археологов и палеонтологов, обнаруживших остатки первых примитивных клеток в слоях, относящихся к периодам от 3,5 до 3,8 млрд лет тому назад. В то же время, считают, что жизнь не могла зародиться раньше, чем 4 млрд лет назад, так как до того времени Земля интенсивно «обстреливалась» метеоритами и кометами. По более радикальным данным, «обстрел» закончился еще позже – как раз около 3,8 млрд лет назад. Таким образом, времени для развития доклеточного мира практически не оставалось.

Чтобы как-то разрешить все противоречия, многие ученые начинают склоняться к идее, что вместо относительно сложных азотистых оснований, присущих современным нуклеиновым кислотам, их предшественницы могли использовать слегка измененные варианты молекул, более склонные к реакциям нематричного синтеза. Некоторые из них, например аминогуанозин, способны без помощи ферментов объединяться в цепочки длиной до 20 нуклеотидов, что недостижимо при использовании обычного гуанозина. Более того, прототипы современных азотистых оснований могли быть и вовсе не циклическими молекулами, что упростило бы их синтез, взаимодействие с рибозой, а также, возможно, снизило бы их способность к угнетению первых появившихся «проторибозимов».

Существуют также экспериментальные данные о том, что древние проторибозимы могли состоять не из четырех, а всего из двух типов нуклеотидов, что значительно повысило бы вероятность их спонтанного образования и, следовательно, сократило бы время, необходимое для перехода доклеточного мира в клеточный.

Несмотря на высокую популярность идеи РНК-мира, сторонники белковой теории также не сдают свои позиции. Модифицировав представления Опарина, они утверждают, что короткие цепи из аминокислот (олигопептиды) могли синтезироваться с помощью РНК уже на ранних этапах РНК-мира. При этом такие олигопептиды могли принимать участие в катализе или защите и концентрировании первых рибозимов (например, путем упаковки их внутрь коацерватов). На практике было также показано, что пептидная цепь может служить заменителем сахарофосфатного остова в нуклеиновых кислотах. Подобные гипотезы намечают возможный способ перехода от мира РНК к миру белков и далее, к протоклеточной эволюции.

Еще одна интересная и перспективная гипотеза состоит в том, что жизнь зарождалась вблизи выбросов горячих вулканических вод, где из-за температуры и наличия больших концентраций биогенных молекул реакции образования биомолекул могли происходить с более высокой скоростью.

Кроме того, большие перепады температуры могли облегчать процессы матричного синтеза нуклеиновых кислот. Высокие температуры способствовали распаду двухнитчатых нуклеиновых кислот на однонитчатые, на которых при понижении температуры мог происходить следующий цикл синтеза. Такой сценарий напоминает разработанную в середине 80-х годов прошлого века технологию многократного копирования нуклеиновых кислот, названную полимеразной цепной реакцией (ПЦР). Возможно, человек просто повторил то, что Природа изобрела миллиарды лет назад?

Сейчас господствующей остается гипотеза более позднего возникновения ДНК, которая вытеснила РНК, зарекомендовав себя более надежным хранилищем генетической информации. Однако самые последние исследования показывают, что однонитчатая ДНК может служить даже лучшим ферментом, чем РНК. При этом, как мы уже знаем, ДНК гораздо более устойчива во внешней среде, что дает ей немалое преимущество. Кто знает, может быть, через несколько витков двойной спирали истории ДНК-мир, отвергнутый после открытия рибозимов, вновь отвоюет свои позиции.

По мере накопления знаний и развития методов исследования современные гипотезы и теории будут сменяться более правдоподобными и обоснованными. Однако на данном этапе развития науки кажется маловероятным, чтобы человечество смогло когда-либо окончательно разрешить эту тайну тайн .

Список использованной литературы

1. 
   А.В. Власов, В.В. Власов. Жизнь начиналась с РНК // Наука из первых рук – 2004. – Том 3, № 2. – с. 6-19
2. 
   А.С. Спирин. Биосинтез белков, мир РНК и происхождение жизни // Вестник Российской Академии наук. – 2001. – Том 71, №4. – с. 320-328
3. 
   А.С. Спирин. Рибонуклеиновые кислоты как центральное звено живой материи // Вестник Российской Академии наук. – 2003. – Том 73, № 2. – с. 117-127
4. 
   М.С. Крицкий, Т.А. Телегина. Коферменты и эволюция мира РНК // Успехи биологической химии. – 2004. – т. 44. – с. 341-364
5. 
   С. Григорович. Вначале была РНК? В поисках молекулы первожизни // Наука и жизнь. – 2004. – №2

Краткое изложение

В живых организмах практически все процессы происходят в основном благодаря ферментам белковой природы. Белки, однако, не могут самореплицироваться и синтезируются в клетке de novo на основании информации, заложенной в ДНК . Но и удвоение ДНК происходит только благодаря участию белков и РНК. Образуется замкнутый круг, из-за которого, в рамках теории самозарождения жизни приходилось признать необходимость не только абиогенного синтеза обоих классов молекул, но и спонтанного возникновения сложной системы их взаимосвязи.

Таким образом, РНК могли существовать полностью автономно, катализируя «метаболические» реакции, например, синтеза новых рибонуклеотидов и самовоспроизводясь, сохраняя из «поколения» в «поколение» каталитические свойства. Накопление случайных мутаций привело к появлению РНК, катализирующих синтез определённых белков, являющихся более эффективным катализатором, в связи с чем эти мутации закреплялись в ходе естественного отбора. С другой стороны возникли специализированные хранилища генетической информации - ДНК. РНК сохранилась между ними как посредник.

Роль РНК в современном мире

Следы мира РНК остались в современных живых клетках , причём РНК участвует в критически важных процессах жизнедеятельности клетки:

1. Основной носитель энергии в клетках - АТФ - это рибонуклеотид , а не дезоксирибонуклеотид .
2. Биосинтез белка почти целиком осуществляется с помощью различных видов РНК:
   • матричные РНК являются матрицей для синтеза белка в рибосомах ;
   • транспортные РНК доставляют аминокислоты к рибосомам и реализуют генетический код ;
   • рибосомная РНК составляет активный центр рибосом, катализирующий образование пептидной связи между аминокислотами.
3. Для репликации ДНК также критически важна РНК:
   • для начала процесса удвоения ДНК необходима РНК-«затравка» (праймер);
   • для бесконечного удвоения ДНК, не ограниченного пределом Хейфлика , в эукариотических клетках производится постоянное восстановление концевых участков хромосом (теломер) ферментом теломеразой , в состав которого входит РНК-матрица.
4. В процессе обратной транскрипции информация из РНК переписывается в ДНК.
5. В процессе созревания РНК используются различные РНК, не кодирующие белки , включая малые ядерные РНК , малые ядрышковые РНК .

После открытия каталитической активности РНК их эволюция без добавления репликазы наблюдалась в экспериментах Брайана Пегеля и Джеральда Джойса из Исследовательского института имени Скриппса в Калифорнии. Фактором, играющим роль давления отбора, являлась ограниченность субстрата (исходных химических реактивов в среде), из которых РНК строили свои копии. При построении копий иногда случались дефекты - мутации - влияющие на их каталитическую активность. По этому признаку и происходил отбор молекул: наиболее быстро копирующиеся молекулы быстро начинали доминировать в среде. Затем часть их переносилась в новую среду, богатую субстратом, где это повторялось. 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, 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.

Свойства объектов мира РНК

О том, как выглядели самовоспроизводящиеся РНК системы, есть разные предположения. Чаще всего постулируется необходимость агрегирующих РНК мембран или размещения РНК на поверхности минералов и в поровом пространстве рыхлых пород. В 1990-е годы А. Б. Четвериным с сотрудниками была показана способность РНК формировать молекулярные колонии на гелях и твёрдых субстратах при создании им условий для репликации. Происходил свободный обмен молекулами, которые при столкновении могли обмениваться участками, что показано экспериментально. Вся совокупность колоний в связи с этим быстро эволюционировала .

После возникновения белкового синтеза колонии, умеющие создавать ферменты, развивались успешнее. Ещё более успешными стали колонии, сформировавшие более надёжный механизм хранения информации в ДНК и, наконец, отделившиеся от внешнего мира липидной мембраной, препятствующей рассеиванию своих молекул.

Пре-РНК миры

Другой гипотезой абиогенного синтеза РНК, призванной решить проблему низкой оценочной вероятности синтеза РНК, является гипотеза мира полиароматических углеводородов , предложенная в 2004 году и предполагающая синтез молекул РНК на основе стека из полиароматических колец.

Фактически, обе гипотезы «пре-РНК миров» не отвергают гипотезу мира РНК, а модифицируют её, постулируя первоначальный синтез реплицирующихся макромолекул РНК в первичных метаболических компартментах, либо на поверхности ассоциатов, отодвигая «мир РНК» на вторую стадию абиогенеза .

Примечания

Литература

• Григорович С. Вначале была РНК? В поисках молекулы первожизни // Наука и жизнь, № 2 (2004)
• Крицкий М. С., Телегина Т. А. Коферменты и эволюция мира РНК // Успехи биологической химии, т. 44, 2004, с. 341-364 pdf
• Спирин А. С. Рибонуклеиновые кислоты как центральное звено живой материи // Вестник РАН, том 73, № 2, с. 117-127 (2003)
• Спирин А. С. Биосинтез белков, мир РНК и происхождение жизни
• Чек Томас Р. РНК - фермент // В мире науки (русское издание Scientific American), 1987, № 1
• Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Эволюция клетки / Молекулярная биология клетки, в 3-х томах, 2-е издание, - М.: Мир, 1994.