Концепция мир рнк реферат

Обновлено: 02.07.2024

РНК способна катализировать биохимические процессы, и сейчас показано, что в рибосомах и в некоторых ферментах она выполняет не только структурные функции, но и непосредственно участвует в катализе, т.е. работает как рибозим. Кроме того, очевидно, что РНК способна хранить и воспроизводить генетическую информацию так же, как и ДНК.

Попытки реконструировать свойства древнейших организмов были сделаны на основе сравнения разных ветвей филогенетического древа жизни. Логика сравнений была следующей: если у представителей самых различных филогенетически отдаленных таксонов тот или иной признак присутствует, то можно считать, что он присутствовал и у их общего предка.

В конце 1970-х гг. К.Везе предложил новую, трехдоменную, классификацию организмов вместо принятого до того подразделения их на две группы – прокариот и эукариот. Он показал, что рРНК прокариот (которые существенно отличаются от эукариотических рРНК) по сходству нуклеотидных последовательностей можно подразделить на две группы. В одной из них оказались многие виды-экстремофилы (галлофилы, термофилы и т.п.), в другой – многие хорошо известные бактерии. Различались эти группы не только по рРНК, но и по строению самой рибосомы, строению и составу компонентов клеточной мембраны и другим признакам. Вторая группа была названа эубактериями, или просто бактериями (Bacteria). Полагая, что прокариоты первой из выделенных групп могут быть более древними, чем собственно бактерии, Везе назвал их архебактериями, или археями (Archaea). Однако впоследствии стало ясно, что обе группы произошли от общего предка, поэтому считать одну из них более древней, чем другую, нет оснований. Эта классификация стала общепринятой, и теперь все организмы подразделяют на три надцарства, или империи: археи, бактерии и эукариоты.

Так как эукариотическая клетка, согласно современным представлениям, возникла как продукт симбиоза архей и бактерий, сравнение именно двух последних групп дает возможность предположить, какими свойствами обладал их общий предок – прогенот (этот термин был предложен Везе для обозначения примитивной предковой формы), или, более точно, последний универсальный общий предок (last universal common ansetor, LUCA). Отметим, что речь идет не о первом клеточном организме, а о неизвестной форме жизни, которая дала начало всему разнообразию современных организмов. Реконструкция этой формы идет не от корней к современным ветвям, а наоборот, от признаков, известных для различных групп современных организмов, назад, в прошлое, к предкам этих групп и предкам этих предков.

Перечисленным требованиям отвечают такие кофакторы, как никотинамиддинуклеотид (НАД+), S-аденозилметионин, кофермент А, АТФ, флавин-адениннуклеотид (ФАД). Эти кофакторы представлены во всех трех доменах жизни, и их РНК-фрагменты не существенны для выполнения кофакторами своих функций. Так, в качестве кофактора АТФ является донором фосфата для некоторых ферментов-киназ, но эту же функцию выполняет пирофосфат, не содержащий нуклеотидов. Донорами метильной группы являются как S-аденозилметионин, так и S, S-диметилтиоацетат. Скорее всего, у общего предка существовали процессы, в которых участвовали перечисленные кофакторы. Можно указать и процессы, которые у него отсутствовали. Например, LUCA не имел системы синтеза мембранных липидов, т.к. у архей липиды клеточной мембраны представлены не жирными кислотами, а другими веществами (многоатомными спиртами, и приписывать общему предку синтез компонентов мембраны нет оснований.

Принципиально новые возможности реконструкции эволюции и происхождения жизни открылись с прочтением последовательностей нуклеотидов полных геномов. В последнее десятилетие базы данных непрерывно пополняются информацией о полных геномах различных организмов. Это дает возможность сравнивать не отдельные фрагменты биохимических систем, а полные картины метаболизма представителей различных ветвей жизни. Анализ геномов подтверждает выводы, сделанные ранее на основе сравнения метаболических систем и строения клетки.

Основные белки системы транскрипции и трансляции у архей и бактерий очень сходны, а вот системы синтеза ДНК различаются – у них совершенно разные ферменты ДНК-полимераза, праймаза (синтезирующая РНК-затравку) и репликативная геликаза (фермент, расплетающий двойную спираль ДНК при репликации). Видимо, LUCA имел системы синтеза РНК и трансляции, принципиально сходные с современными, но не имел двухцепочечной ДНК, т.е. наследственным материалом у него была РНК. Однако некоторые компоненты системы ДНК-репликации (ДНК-лигаза и еще несколько белков) у архей и бактерий все же общие. Ферменты биосинтеза предшественников ДНК – рибонуклеотид редуктаза (превращает рибонуклеотиды в дезоксирибонуклеотиды) и тимидилаткиназа – схожи у всех прокариот. Следовательно, синтез ДНК у LUCA все же происходил, но функции ДНК были иными. Ферментативная система для репликации двухцепочечной ДНК и способность использовать ДНК как основное хранилище информации возникли независимо друг от друга в двух линиях прокариот.

Гены, определяющие биосинтез компонентов клеточной мембраны и клеточной стенки, различны у бактерий и архей. Следовательно, эти системы возникли в процессе эволюции независимо, и у общего предка отсутствовали: он не имел клеточной мембраны, т.е. не был клеткой в современном понимании. Тем не менее некоторые ключевые ферменты, для работы которых необходимы мембраны, такие как протонная АТФаза, похожи у архей и бактерий. Казалось бы, это противоречит утверждению, что общий предок не имел мембран. Однако речь идет об отсутствии биогенных мембран, а не об отсутствии гидрофобных поверхностей вообще. Вероятно, можно было использовать гидрофобные слои, которые существовали на поверхности минеральных компартментов, не имея еще синтеза липидов и его генетического обеспечения.

Сравнительная геномика позволяет делать обоснованные эмпирическим материалом предположения о деталях развития жизни, которые вряд ли можно было бы вывести на основе чисто логических рассуждений. Например, как показано в работах Е.Кунина и его группы из Национального центра биотехнологической информации США, РНК-полимеразы происходят из белкового домена, который как димер, не имеющий каталитической активности, вероятно, функционировал в качестве кофактора рибозима РНК-полимеразы в РНК-мире.

Исследование геномов открывает большие перспективы в реконструкции картины появления и эволюции жизни на Земле. Пока наиболее вероятным кажется, что общий предок современных организмов не был единственным видом – скорее это была вариабельная коллекция субклеточных процессов, которые достаточно свободно обменивались генетической информацией и молекулярными структурами.

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.

Мир РНК — гипотетический этап возникновения жизни на Земле, когда как функцию хранения генетической информации, так и катализ химических реакций выполняли ансамбли молекул рибонуклеиновых кислот. Впоследствии из их ассоциаций возникла современная ДНК-РНК-белковая жизнь, обособленная мембраной от внешней среды. Идея мира РНК была впервые высказана Карлом Вёзе в 1968 году, позже развита Лесли Орджелом и окончательно сформулирована Уолтером Гильбертом в 1986 году.

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.

В начале 1980-х годов в лаборатории Т. Чека и С. Олтмана в США была открыта каталитическая способность РНК. По аналогии с ферментами РНК-катализаторы были названы рибозимами, за их открытие Томасу Чеку в 1989 году была присуждена Нобелевская премия по химии. Более того, оказалось, что активный центр рибосом содержит большое количество рРНК. Также РНК способны создавать двойную цепочку и самореплицироваться.

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 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.

Кроме того, многие вирусы хранят свой генетический материал в виде РНК и поставляют в заражённую клетку РНК-зависимую РНК-полимеразу для его репликации.

Абиогенный синтез РНК

Абиогенный синтез РНК из более простых соединений не продемонстрирован экспериментально в полной мере. В 1975 году Манфред Сампер и Рудигер Льюс в лаборатории Эйгена продемонстрировали, что в смеси, вообще не содержащей РНК, а содержащей только нуклеотиды и Qβ-репликазу, может при определённых условиях спонтанно возникнуть самореплицирующаяся РНК.

В 2009 году группе учёных из университета Манчестера под руководством Джона Сазерленда удалось продемонстрировать возможность синтеза уридина и цитидина с высокой эффективностью и степенью закрепления результата реакции (а также с возможностью накопления конечных продуктов) в условиях ранней Земли. В то же время, хотя абиогенный синтез пуриновых оснований продемонстрирован достаточно давно (в частности, аденин является пентамером синильной кислоты), их гликозилирование свободной рибозой аденозина и гуанозина пока показано лишь в малоэффективном варианте.

Дополнительный эксперимент был позже проведён в лаборатории немецкой школы Манфреда Ейгена. Он обнаружил спонтанное самозарождение молекулы РНК в пробирке с субстратом и РНК-репликазой. Она была создана постепенно нарастающей эволюцией.

После открытия каталитической активности РНК (рибозимов) их эволюция в автоматизированном устройстве под управлением компьютера наблюдалась в экспериментах Брайана Пегеля и Джеральда Джойса из Исследовательского института имени Скриппса в Калифорнии в 2008 году. Фактором, играющим роль давления отбора, являлась ограниченность субстрата, куда входили олигонуклеотиды, которые рибозим распознавал и присоединял к себе, и нуклеотиды для синтеза РНК и ДНК. При построении копий иногда случались дефекты — мутации — влияющие на их каталитическую активность (для ускорения процесса несколько раз смесь подвергалась мутированию с помощью полимеразной цепной реакции с использованием "неточных" полимераз). По этому признаку и происходил отбор молекул: наиболее быстро копирующиеся молекулы быстро начинали доминировать в среде. Затем 90% смеси удалялось, а вместо этого добавлялась свежая смесь с субстратом и ферментами, и цикл повторялся снова. 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.

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.

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.

Академик РАН А. С. Спирин считает, что РНК-мир не мог появиться и существовать на Земле, и рассматривает вариант внеземного (в первую очередь на кометах) происхождения и эволюции РНК-мира.

РНК способна катализировать биохимические процессы, и сейчас показано, что в рибосомах и в некоторых ферментах она выполняет не только структурные функции, но и непосредственно участвует в катализе, т.е. работает как рибозим. Кроме того, очевидно, что РНК способна хранить и воспроизводить генетическую информацию так же, как и ДНК.

Попытки реконструировать свойства древнейших организмов были сделаны на основе сравнения разных ветвей филогенетического древа жизни. Логика сравнений была следующей: если у представителей самых различных филогенетически отдаленных таксонов тот или иной признак присутствует, то можно считать, что он присутствовал и у их общего предка.

В конце 1970-х гг. К.Везе предложил новую, трехдоменную, классификацию организмов вместо принятого до того подразделения их на две группы – прокариот и эукариот. Он показал, что рРНК прокариот (которые существенно отличаются от эукариотических рРНК) по сходству нуклеотидных последовательностей можно подразделить на две группы. В одной из них оказались многие виды-экстремофилы (галлофилы, термофилы и т.п.), в другой – многие хорошо известные бактерии. Различались эти группы не только по рРНК, но и по строению самой рибосомы, строению и составу компонентов клеточной мембраны и другим признакам. Вторая группа была названа эубактериями, или просто бактериями (Bacteria). Полагая, что прокариоты первой из выделенных групп могут быть более древними, чем собственно бактерии, Везе назвал их архебактериями, или археями (Archaea). Однако впоследствии стало ясно, что обе группы произошли от общего предка, поэтому считать одну из них более древней, чем другую, нет оснований. Эта классификация стала общепринятой, и теперь все организмы подразделяют на три надцарства, или империи: археи, бактерии и эукариоты.

Так как эукариотическая клетка, согласно современным представлениям, возникла как продукт симбиоза архей и бактерий, сравнение именно двух последних групп дает возможность предположить, какими свойствами обладал их общий предок – прогенот (этот термин был предложен Везе для обозначения примитивной предковой формы), или, более точно, последний универсальный общий предок (last universal common ansetor, LUCA). Отметим, что речь идет не о первом клеточном организме, а о неизвестной форме жизни, которая дала начало всему разнообразию современных организмов. Реконструкция этой формы идет не от корней к современным ветвям, а наоборот, от признаков, известных для различных групп современных организмов, назад, в прошлое, к предкам этих групп и предкам этих предков.

Перечисленным требованиям отвечают такие кофакторы, как никотинамиддинуклеотид (НАД+), S-аденозилметионин, кофермент А, АТФ, флавин-адениннуклеотид (ФАД). Эти кофакторы представлены во всех трех доменах жизни, и их РНК-фрагменты не существенны для выполнения кофакторами своих функций. Так, в качестве кофактора АТФ является донором фосфата для некоторых ферментов-киназ, но эту же функцию выполняет пирофосфат, не содержащий нуклеотидов. Донорами метильной группы являются как S-аденозилметионин, так и S, S-диметилтиоацетат. Скорее всего, у общего предка существовали процессы, в которых участвовали перечисленные кофакторы. Можно указать и процессы, которые у него отсутствовали. Например, LUCA не имел системы синтеза мембранных липидов, т.к. у архей липиды клеточной мембраны представлены не жирными кислотами, а другими веществами (многоатомными спиртами, и приписывать общему предку синтез компонентов мембраны нет оснований.

Принципиально новые возможности реконструкции эволюции и происхождения жизни открылись с прочтением последовательностей нуклеотидов полных геномов. В последнее десятилетие базы данных непрерывно пополняются информацией о полных геномах различных организмов. Это дает возможность сравнивать не отдельные фрагменты биохимических систем, а полные картины метаболизма представителей различных ветвей жизни. Анализ геномов подтверждает выводы, сделанные ранее на основе сравнения метаболических систем и строения клетки.

Основные белки системы транскрипции и трансляции у архей и бактерий очень сходны, а вот системы синтеза ДНК различаются – у них совершенно разные ферменты ДНК-полимераза, праймаза (синтезирующая РНК-затравку) и репликативная геликаза (фермент, расплетающий двойную спираль ДНК при репликации). Видимо, LUCA имел системы синтеза РНК и трансляции, принципиально сходные с современными, но не имел двухцепочечной ДНК, т.е. наследственным материалом у него была РНК. Однако некоторые компоненты системы ДНК-репликации (ДНК-лигаза и еще несколько белков) у архей и бактерий все же общие. Ферменты биосинтеза предшественников ДНК – рибонуклеотид редуктаза (превращает рибонуклеотиды в дезоксирибонуклеотиды) и тимидилаткиназа – схожи у всех прокариот. Следовательно, синтез ДНК у LUCA все же происходил, но функции ДНК были иными. Ферментативная система для репликации двухцепочечной ДНК и способность использовать ДНК как основное хранилище информации возникли независимо друг от друга в двух линиях прокариот.

Гены, определяющие биосинтез компонентов клеточной мембраны и клеточной стенки, различны у бактерий и архей. Следовательно, эти системы возникли в процессе эволюции независимо, и у общего предка отсутствовали: он не имел клеточной мембраны, т.е. не был клеткой в современном понимании. Тем не менее некоторые ключевые ферменты, для работы которых необходимы мембраны, такие как протонная АТФаза, похожи у архей и бактерий. Казалось бы, это противоречит утверждению, что общий предок не имел мембран. Однако речь идет об отсутствии биогенных мембран, а не об отсутствии гидрофобных поверхностей вообще. Вероятно, можно было использовать гидрофобные слои, которые существовали на поверхности минеральных компартментов, не имея еще синтеза липидов и его генетического обеспечения.

Сравнительная геномика позволяет делать обоснованные эмпирическим материалом предположения о деталях развития жизни, которые вряд ли можно было бы вывести на основе чисто логических рассуждений. Например, как показано в работах Е.Кунина и его группы из Национального центра биотехнологической информации США, РНК-полимеразы происходят из белкового домена, который как димер, не имеющий каталитической активности, вероятно, функционировал в качестве кофактора рибозима РНК-полимеразы в РНК-мире.

Исследование геномов открывает большие перспективы в реконструкции картины появления и эволюции жизни на Земле. Пока наиболее вероятным кажется, что общий предок современных организмов не был единственным видом – скорее это была вариабельная коллекция субклеточных процессов, которые достаточно свободно обменивались генетической информацией и молекулярными структурами.

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.


Обзор

Сторонники теории мира РНК утверждают, что жизнь на нашей планете началась с рибозимов — молекул РНК, способных к катализу без участия белковых ферментов. На рисунке — один из таких рибозимов, обладающих рибонуклеазной активностью.

Автор
Редакторы


Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific. Спонсор приза зрительских симпатий — фирма Helicon.

Противоречия гипотезы мира РНК

Идея мира РНК была высказана в 1968 году Карлом Вёзе [1], а окончательно сформулирована в 1986 году нобелевским лауреатом Уолтером Гильбертом. То, что РНК способна как хранить наследственную информацию, так и выполнять работу (например, при биосинтезе белка), было известно и ранее. Но окончательно гипотеза мира РНК смогла сформироваться лишь после открытия в 1981 году рибосомальной РНК из ресничного простейшего Tetrahymena, которая способна к автосплайсингу. Осуществляется это следующим образом: к интронной последовательности РНК прикрепляется нуклеотид G, далее цепь разрезается в месте присоединения нуклеотида. После этого происходит окончательное вырезание интрона и сшивание экзонов. Более того, эта интронная последовательность обладает рибонуклеазной активностью, т.е. она способна связываться с субстратной РНК и специфично разрезать её. Такие свойства рибонуклеиновому интрону придаёт его способность к образованию сложных трёхмерных структур.

Однако платой за высокую лабильность РНК служит её склонность к быстрой деградации. Здесь мы и сталкиваемся с первой трудностью концепции РНК-мира. Как молекула может служить надёжным хранилищем генетической информации, если время её жизни мало?

Это противоречие способны разрешить некоторые предположения. Считается, что первые РНК могли размножаться в микрополостях во льду. В подтверждение этому, по данным ряда экспериментов, максимальная рибозимная активность РНК наблюдается при температуре около −8 °С. Возможно, это связано с тем, что при подобных температурах увеличивается концентрация РНК и понижается активность воды. Однако вероятная сложность здесь заключается в том, что РНК при низких температурах обретают повышенную склонность к образованию водородных связей между комплементарным нуклеотидами, что ведёт к образованию межмолекулярных комплексов и снижению каталитической активности [2].

Следующей большой трудностью является склонность РНК к гидролизу при pH>6. Фосфодиэфирные связи между нуклеотидами наиболее стабильны при рН, лежащих в пределах 4–5.

Также двоякую роль играют и ионы Mg 2+ : с одной стороны, они стабилизируют вторичную и третичную структуры РНК (что критично для способности к катализу), с другой же, их высокая концентрация способствует деградации молекул. Выше упоминалось, что молекулы РНК наиболее стабильны в кислой среде. В этих условиях цитозин и аденозин протонируются, тем самым обретая дополнительный положительный заряд, что снижает потребность в катионах. К примеру, при рН=4 некоторые рибозимы сохраняют свою активность даже в отсутствие ионов [2].

РНК является весьма сложной молекулой, и вероятность её внезапного возникновения из отдельных атомов или фрагментов крайне низка. Действительно, сложно себе представить, как могли соединиться вместе азотистое основание, рибоза и фосфат, образовав нуклеотид. Однако Санчез, Оргел, Паунер и Сазердэнд показали возможность синтеза пиримидинов из молекул, вероятно, имевшихся в пребиотических условиях Земли [3].

Также важно понять, каким образом осуществлялась полимеризация первых нуклеотидов в полимерные цепочки. Относительна недавно была обнаружена важная роль различных минералов и ионов металлов в катализе при образовании биополимеров [4]. К примеру, монтмориллонит катализирует полимеризацию нуклеотидов, 5′-фосфат которых ранее был активирован имидазолом. Более того, монтмориллонит способен образовывать везикулы из простых жирных кислот [4]. Таким образом, этот минерал, с одной стороны, способствует полимеризации нуклеотидов, а с другой — образованию мембранных структур.

Гипотетически, существует множество вариантов соединения рибонуклеотидов друг с другом через различные атомы рибозы. Однако в живых организмах нуклеотиды соединены друг с другом через 3′,5′-фосфодиэфирную связь (за некоторыми исключения: например, кэп в мРНК эукариот присоединяется через 5′,5′-связь). Недавние исследования Шостака показали, что рибозимы, имеющие в своём составе нуклеотиды, соединённые как через 3′,5′-связь, так и через 2’,5′-связь, частично сохраняли каталитические свойства [5]. Вероятно, в первых рибонуклеиновых полимерах могли реализовываться различные варианты фосфодиэфирной связи, однако эволюцией была отобрана именно 3′,5′-связь.

Рибозимные репликазы

Для того, чтобы в мире РНК полирибонуклеотиды могли размножаться, должны были существовать рибозимные аналоги белковых полимераз. В современных живых организмах рибозимы с таким видом активности не обнаружены, однако подобные молекулы были созданы искусственно. Молекулярные биологи из Великобритании обратили внимание на ранее известный рибозим R18, обладающий полимеразной активностью [6]. Он и стал объектом эксперимента: путём искусственной эволюции и разумного планирования из исходного рибозима были получены четыре новые молекулы с улучшенными каталитическими свойствами [7]. Дело в том, что исходный рибозим R18 (обозначен на картинке буквой А) был способен реплицировать лишь фрагменты РНК длиной до 20 нуклеотидов. Также им могла быть реплицирована далеко не каждая последовательность РНК, а лишь узкий круг определённых матриц [7]. Учёные пошли двумя путями:

  1. в одной серии экспериментов они пытались увеличить число оснований РНК, реплицируемых рибозимом. В результате были получены четыре новых рибозима с улучшенными свойствами. Один из них — рибозим С19, который учёные смогли усовершенствовать далее. Так был получен ещё более эффективный рибозим tC19 (на рисунке под буквой С). tC19 оказался способным копировать до 95 нуклеотидов [7].
  2. В другой серии экспериментов учёные смогли получить рибозим, чья полимеразная активность не так сильно зависела от нуклеотидной последовательности РНК-матриц [7].


В результате, полезные свойства рибозимов tC19 и Z удалось объединить в одном, названном tC19Z. Данный рибозим способен копировать как довольно широкий круг матриц, так и достаточно длинные последовательности [7].

Интроны, способные вырезаться самостоятельно, были обнаружены в тирозиновой тРНК таких сложных организмов, как человек и цветковое двудольное растение Arabidopsis thaliana. Эти 12-ти и 20-ти нуклеотидные участки в клетке вырезаются путём сплайсинга с участием белков, однако этот интрон показал способность вырезать самого себя и без участия ферментов.

РНК-переключатели

Ограниченная каталитическая способность рибозимов часто становится ещё одним хлипким краеугольным камнем теории мира РНК. Критики теории считают, что тот минимум химических реакций, который необходим для осуществления метаболизма в мире РНК, не может быть обеспечен одними лишь рибозимами. Подавляющее большинство РНК-катализаторов катализируют лишь разрыв и создание фософодиэфирных связей между нуклеотидами. Кажется, что молекулы РНК со своими четырьмя весьма схожими мономерами безнадёжно проигрывают в химическом разнообразии белкам, которые имеют в своём составе 20 аминокислот, весьма различных по свойствам. Однако не стоит забывать, что многие белковые ферменты для выполнения активной работы должны присоединить лиганды — кофакторы, — без которых ферментативная активность попросту исчезает.

И здесь стоит вспомнить об РНК-перключателях или рибопереключателях (англ. riboswitches). Что же это такое? Как известно, информация об аминокислотной последовательности белка передаётся в рибосому через мРНК. Матричная РНК транскрибируется с ДНК посредством фермента ДНК-полимераза II. В данном случае, помимо самого гена, транскрибируется участок впереди него, на котором и расположен рибоперключатель [8]. РНК-переключатель представляет собой участок мРНК, способный связывать молекулу строго определённого вещества. После связывания переключатель меняет свою пространственную конфигурацию, что делает невозможной дальнейшую транскрипцию [8].

Однако существуют и РНК-переключатели, действующие по более сложному механизму. Например, рибопереключатель, контролирующий транскрипцию гена metE бактерии Bacillus clausii, является двойным, т.е. имеет два рецепторных участка, связывающих две разных молекулы [9]. Разберём данный механизм подробнее.

 Работа рибопереключателей

Рисунок 1. Работа рибопереключателей. А — Рибопереключатели на транскриптах генов metE, metH и metK. Голубым обозначены шпилечные структуры, образуемые в результате вырезания шести или более уридиновых нуклеотидов. Видно, что у metE имеется два акцепторных и два шпилечных участка. В — Путь биосинтеза S-аденозилметионина. На первом этапе гомоцистеин преобразуется в амикислоту метионин. Это превращение может быть катализировано одним из двух ферментов: metE или metH. metH проводит эту реакцию с большей эффективностью, однако требует для своей работы дополнительного вещества (кофактора). На втором этапе фермент metK превращает метионин в S-аденозилметионин.

Между тем, РНК-переключатели способны связывать значительное число белковых кофакторов, таких как флавинмононуклеотид, тиаминпирофосфат, тетрагидрофолат, S-аденозилметионин, аденозилкобаламин [8]. Изначально считалось, что РНК-переключатели способны лишь подавлять экспрессию генов [8], но позже были получены данные, свидетельствующие о том, что некоторые переключатели, напротив, ее усиливают. Сами по себе РНК-переключатели представляют весьма интересное явление, так как они демонстрируют возможность регуляции работы генов без прямого участия белков — иными словами, демонстрирует самодостаточность и универсальность РНК. Судя по всему, РНК-переключатели являются очень древним механизмом: так, они обнаружены во всех доменах живой природы: у бактерий, архей и эукариот [8]. Похоже, что, по меньшей мере, некоторые из современных кофакторов белков были прямиком заимствованы из мира РНК. Можно нарисовать примерно такую картину: рибозимы изначально использовали многие из современных кофаторов для своих целей, однако с появлением более эффективных белковых ферментов эти кофакторы были заимствованы последними.

Вторичная структура РНК-переключателя гена metE

Рисунок 2. Вторичная структура РНК-переключателя гена metE. Выделены акцепторы — сайты связывания с молекулами SAM и AdoCbl, а также шпилечные терминирующие структуры.

Геномные тэги и тРНК

Вторичная структура тРНК

Всем хорошо известна важная роль тРНК в биосинтезе белка. Однако у тРНК и подобных ей молекул есть другая, менее известная, но не менее важная функция: в различных репликативных процессах они исполняют роль праймеров и шаблонов. Это могут быть процессы репликации одноцепочечной вирусной РНК, репликация митохондриальной ДНК у грибов, репликации теломер [10].

Также репликация многих РНК у ретровирусов начинается с того, что к сайту связывания праймера на вирусной РНК присоединяется тРНК хозяйского организма [9]. Тем самым видно, что тРНК современных организмов способны также служить и праймерами. Затем, используя тРНК как праймер, обратная транскриптаза копирует вирусный РНК-геном в ДНК.

Возможно ли, что тРНК сегодняшних организмов произошли от древних геномных тэгов? Алан Вейнер и Нэнси Мэйцелс [10] отвечают на этот вопрос утвердительно. Согласно их теории, верхняя и нижняя половинки тРНК эволюционировали по-отдельности, причём верхняя часть тРНК появилась раньше нижней и является потомком геномных тэгов [10].

Происхождение рибосом

При построении гипотезы мира РНК много внимания уделяется и происхождению рибосом, потому что их образование фактически можно приравнять к переходу от РНК-катализа к белковому процессу. Как известно, рибосома состоит из двух субъединиц: малой и большой. Ключевую роль в синтезе белковой цепи играет большая субъединица рибосомы, в то время как маленькая считывает мРНК. Модель происхождения одной из молекул большой субъединицы была предложена канадскими биохимиками Константином Боковым и Сергеем Штейнбергом [11].

Следы мира РНК

Наследие мира РНК можно обнаружить в любом живом организме. Вспомним рибосомы, которые, по всей видимости, являются реликтами очень давней эпохи, ведь структурно и функционально рибосомы крайне схожи и у человека, и у дождевого червя, и у кишечной палочки. Главный переносчик энергии в клетке — молекула аденозинтрифосфата — представляет собой не что иное, как аденозин с двумя дополнительными фосфатами. Такие важнейшие молекулы, как переносчики электронов ФАД и НАД также являются модифицированными нуклеотидами. Конечно, гипотеза мира РНК ещё не доказана, да и нет гарантий, что когда-нибудь это случится. Но факт того, что важнейшие процессы в клетке протекают при активном участии РНК и рибонуклеотидов, может служить веским доводом в пользу истинности этой теории.

Читайте также: