РНК-мир: у истоков жизни
С.А. Боринская, к.б.н., Институт генетики РАН, г. Москва
Происхождение жизни остается одной из самых интригующих тайн. В «домолекулярный» период развития биологии научные концепции возникновения живых организмов представляли собой в значительной мере непротиворечивые гипотезы. С развитием молекулярной биологии и особенно геномных исследований последнего десятилетия появились эмпирические данные, которые дают более прочные основания для того, чтобы реконструировать последовательность появления по крайне мере некоторых ключевых процессов в живых организмах. Не имея возможности дать здесь обзор того пути, который прошла наука со времен первых работ Опарина и Холдейна, приведем лишь несколько примеров разрабатываемых ныне подходов. Популярные обзоры начальных этапов зарождения жизни, включая работы академиков А.С. Спирина, А.Г. Заварзина и других ведущих ученых в этой области, можно найти на сайте А.В. Маркова «Проблемы эволюции» в разделе «Зарождение жизни. Прокариотная биосфера» (http://macroevolution.narod.ru/paleobac.htm#1).
Вопрос происхождения жизни возникал на новом уровне всякий раз, как менялись представления о живых организмах. Когда были сформированы представления о клеточной природе жизни, возник вопрос о происхождении клетки. Когда стали известны строение и функции ДНК, РНК, белков, ученые попытались понять, каков был порядок появления этих «молекул жизни». ДНК способна хранить наследственную информацию, но не выполняет каталитические функции и без белков не может реплицироваться, белки же не могут самовоспроизводиться. РНК, казалось бы, играет лишь роль посредника между ДНК и белками и, в некоторых случаях, выполняет структурные (рРНК) и транспортные (тРНК) функции.
Однако именно РНК привлекла внимание исследователей 1980-х гг. Два открытия оказали наибольшее влияние на формирование существующих сейчас представлений. Первое – это обнаружение фермента ревертазы и осуществляемого ею процесса обратной транскрипции, т.е. синтеза ДНК на РНК (Г.Темин и Д.Балтимор, Нобелевская премия 1975 г.). Второе – открытие рибозимов – молекул РНК, обладающих каталитической активностью (С.Олтмен и Т.Чех, Нобелевская премия 1989 г.). Тот факт, что РНК способна катализировать биохимические реакции, указывал, что именно она – подходящий кандидат для того, чтобы быть первой среди других «главных» макромолекул клетки.
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.
Множество деталей биохимических процессов получили логическое объяснение с принятием предположения о появлении РНК на самых ранних этапах зарождения жизни. Так, например, ДНК-полимераза не способна самостоятельно инициировать синтез ДНК, и ей необходима помощь другого фермента, праймазы, который синтезирует небольшой фрагмент РНК (РНК-затравку). Можно полагать, что ДНК-полимераза так и «не научилась» начинать синтез самостоятельно и использование затравки представляет собой реликт, оставшийся с того времени, когда главной молекулой была РНК.
Эти и многие другие факты легли в основу представлений о том, что исходно молекулы РНК выполняли функции и геномные, и каталитические, затем появились белки и лишь потом ДНК. Эта концепция, получившая название «РНК-мир», в настоящее время почти общепринята в англоязычных учебниках. Сам термин «РНК-мир» предложен в 1986 г. химиком Уолтером Гилбертом (получившим Нобелевскую премию за создание методов определения последовательностей нуклеотидов), интересовавшимся проблемой происхождения жизни.
Собственно идея о возможности существования автономных «РНК-организмов» была высказана в конце 1960-х гг., еще до открытия рибозимов, американскими учеными Карлом Везе (микробиологом) и Лесли Оргелом (специалистом по химической эволюции). Они предположили, что такие организмы были бы возможны, если бы РНК могла выполнять некоторые каталитические функции, и указали, что в этом случае можно было бы рассматривать коферменты, включающие в свой состав нуклеотиды, как оставшиеся от времени, когда РНК функционировала без помощи белков.
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.
В работе, опубликованной в 1989 г., химик и специалист по молекулярной эволюции С.Беннер с коллегами рассмотрели современный молекулярный катализ как комплекс недавно возникших черт, наложенных на более древние свойства, останки предковой жизни. «Примитивные» процессы, доставшиеся современным организмам от РНК-мира, должны характеризоваться следующими признаками: 1) в процесс должна быть вовлечена РНК; 2) химические свойства РНК собственно не должны быть существенны для выполнения функции; 3) функция может выполняться и не содержащими РНК компонентами, причем более эффективно.
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.
Параллельно с развитием идеи РНК-мира была сформулирована концепция происхождения жизни с участием минеральных соединений, таких как соединения фосфора (апатиты) или сульфиды железа (пириты). Жизнь не могла развиться в гомогенном «первичном бульоне», для ее развития нужна была изоляция «биореакторов» от окружающей среды. Минеральные поверхности или полости могли служить для концентрации органических веществ, позволяя тем самым решить проблему компартментализации. Кроме того, вокруг них или на их границах могли возникать электрохимические и температурные градиенты, что также облегчает создание моделей происхождения жизни. По словам М.Рассела, профессора геологии в Глазго и одного из создателей концепции происхождения жизни на микроструктурах пирита, «жизнь любит жить в градиентах». Предполагается, что эти структуры формировались в условиях, похожих на те, которые существуют в современных глубоководных гидротермальных системах.
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.