Геном: автобиография вида в 23 главах

Ридли Мэтт

РНК — это та химическая субстанция, которая связывает между собой ДНК и белки. Сейчас РНК используется в клетке главным образом как промежуточное сообщение для трансляции кода ДНК в последовательность аминокислот в белке. Но все меньше остается сомнений, что именно РНК была предшественницей обоих — белка и ДНК.

Слово было РНК. Существует пять свидетельств того, что РНК появилась раньше белков и ДНК.

1. Даже теперь химические ингредиенты молекулы ДНК получаются путем модификации ингредиентов молекулы РНК. Например, буква T (тимин), относящаяся к ДНК, синтезируется из буквы U (урацила) — принадлежащей РНК.

2. Многие ферменты для активации требуют присутствия небольших молекул РНК.

3. Кроме того, РНК в отличие от ДНК и белков способна к самокопированию без чьего-либо участия. Добавьте только в среду необходимые ингредиенты, и процесс пойдет.

4. Если внимательно рассмотреть биохимическую активность клетки, то окажется,

что все основополагающие и реликтовые процессы происходят с участием РНК. Это РНК-зависимые ферменты считывают информацию с ДНК, преобразуя ее в информационную РНК. Именно из РНК построены рибосомы, выполняющие трансляцию генетического кода в белок, при этом именно молекулы транспортных РНК вылавливают в цитоплазме аминокислоты и подносят их к месту сборки.

5. И наконец, РНК в отличие от ДНК выступает в качестве катализатора химических процессов, разрушающих или синтезирующих другие химические соединения, в том числе и саму РНК. РНК может вызывать собственное разрезание с последующим сшиванием свободных концов, а также катализировать удлинение собственной цепи.

Открытие этих примечательных свойств РНК, сделанное Томасом Чеком (Thomas Cech) и Сиднеем Олтменом (Sidney Altman), изменило наше представление об истоках жизни. Теперь наиболее вероятным кажется то, что самым первым геном была молекула РНК, объединяющая в себе свойства репликации и катализа, — Слово, потребляющее вещества из окружающей среды для копирования самого себя. Возможно, если синтезировать случайным образом молекулы РНК прямо в пробирке, можно получить соединение, которое по своим химическим свойствам будет соответствовать первоисточнику жизни. Примечательно, что молекулы РНК, отобранные в подобных экспериментах, всегда были весьма похожи по своему содержанию на текст гена 5S РНК, который находится вблизи центромеры хромосомы 1.

В 1989 году за открытие свойств РНК Томас Чек и Сидней Олтмен были награждены Нобелевской премией.

Намного раньше первого динозавра, первой рыбы, первого червя, первого растения, первого гриба и первой бактерии на Земле царил мир РНК. Это было, вероятно, около 4 млрд лет тому назад. Нам неизвестно, как выглядел этот РНК-овый организм. Мы можем только предполагать, какой была химическая активность данного соединения, обеспечивающая его самовоспроизведение. Неизвестно, был ли прародитель у этого организма. Но мы можем быть уверены, что он был, поскольку на это указывают свойства современных молекул РНК [7] .

7

Gesteland R. F., Atkins J. F. (eds). 1993. The RNA world. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York.

У этого РНК-ового организма были большие проблемы. РНК — крайне нестабильная молекула, разрушающаяся в течение нескольких часов. Любое эволюционное усложнение такого организма было под вопросом, так как информация быстро терялась в силу стремительного накопления ошибок. Единственно возможным направлением эволюции было направление в сторону создания более устойчивой молекулы ДНК с развитием системы считывания РНК с ДНК. Такой системой считывания могла быть проторибосома. Считывание информации должно было быть достаточно быстрым, так как РНК быстро разрушалась, но при этом аккуратным. Одновременное считывание трех нуклеотидов за один шаг, видимо, было компромиссом для достижения необходимой скорости и точности. Поиск нужного триплета облегчался в случае маркирования этих нуклеотидов, а в качестве маркеров, распознаваемых проторибосомами, использовались аминокислоты. Значительно позже у проторибосомы появилась дополнительная ферментативная активность сшивания маркеров в новый полимер — белок. В результате триплет стал кодом, обеспечивающим трансляцию последовательности нуклеотидов в последовательность аминокислот. Образовался новый, более сложный организм, в котором генетическая информация сохранялась в ДНК, метаболическая активность обеспечивалась белками, а РНК стала играть роль моста между ними.

Имя нашего общего предка — Лука (Luca — Last Universal Common Ancestor, последний вселенский общий предок). Как он выглядел и где жил? Предположительно, он выглядел как бактерия и жил в теплых лужах, возможно, в горячих источниках или морских заливах. В последнее время Луке стали отводить более мрачное место жительства, когда стало известно, что глубинные подземные и подводные камни обсеменены миллиардами литотрофных (живущих за счет преобразования химических соединений) бактерий. Тогда Луку поселили глубоко под землей, поближе к вулканической лаве, где его пищей были сера, железо, водород и углерод. Даже сейчас то, что мы понимаем под биосферой, — лишь вершина айсберга. По расчетам ученых девять десятых всего органического углерода сосредоточено глубоко под землей в виде термофильных бактерий, ответственных за образование природного газа [8] .

8

Gold T. 1992. The deep, hot biosphere. Proceedings of the National Academy of Science of the USA 89: 6045–6049;

Gold T. 1997. An unexplored habitat for life in the universe? American Scientist 85: 408–411.

Впрочем,

сейчас довольно сложно представить, как выглядели первые формы жизни на Земле. У большинства современных организмов гены передаются только от родителей к детям, но так было не всегда. Например, бактерии могут передавать генетический материал друг другу от клетки к клетке. Вполне возможно, что ранее горизонтальный перенос генов был еще более распространенным явлением, включая целенаправленный поиск и захват нужных генов организмами. В клетках древних организмов должно было быть много маленьких хромосом, по нескольку генов в каждой, которые легко можно было потерять или передать. Исходя из этой гипотезы, Карл Везе (Carl Woese) предложил рассматривать виды организмов как временные сообщества генов, нестабильные во времени. Гены, которые нашли свое прибежище в геноме человека, могли прийти к нам от разных видов. В таком случае бессмысленно искать единственного общего предка в далеком прошлом. Возможно, был не один Лука, а целое сообщество генетически разнородных организмов, свободно обменивавшихся друг с другом генами. Согласно Везе, жизнь уходит к своим истокам многочисленными корнями, а не одним генеалогическим стволом [9] .

9

Woese C. 1998. The universal ancestor. Proceedings of the National Academy of Science of the USA 95: 6854–6859.

Тот древний мир можно представить как коммуну, в которой гены принадлежали всему сообществу организмов. Но, скорее, реальному положению вещей соответствует теория эгоистичных генов, согласно которой гены находились в состоянии жесткой конкуренции по отношению друг к другу и в организмах образовывали лишь временные союзы. С течением времени наиболее удачные сочетания генов закреплялись, и индивидуальный эгоизм генов заменялся коллективным трудом. Впрочем, пока это только гипотезы.

Но даже если предков было много, мы можем продолжить наши размышления о том, где они жили и как выглядели. Были ли они похожи на современные термофильные бактерии? Благодаря ряду работ трех исследователей из Новой Зеландии, опубликованных в 1998 году, становится понятным то, что наши представления о примитивности бактерий не совсем верны. Бактерии, с их простым строением клетки без ядра и с одной циркулярной хромосомой, скорее всего, не лежат в основе генеалогического дерева жизни. Традиционно древо жизни связывают с термофильными бактериями, которые и сейчас встречаются в термальных источниках.

По-видимому, автор имеет в виду архебактерии — живые ископаемые, населяющие горячие источники и другие экстремальные места обитания, непригодные для иных форм жизни.

Возникновение многоклеточных организмов связывают с объединением древних бактерий в сложные ассоциации. Но были ли наши предки такими же экстремалами, тяготевшими к извергающимся вулканам и горячим источникам? Давайте представим обратный ход эволюции. Первые организмы не были похожи на бактерии и не жили в горячих источниках и глубоководных вулканических кратерах. Вероятно, они больше напоминали современных протозоа — простейших одноклеточных животных вроде амебы, с геномом, фрагментированным в маленькие линейные полиплоидные (несколько одинаковых копий) хромосомы. Полиплоидия была важна для первых организмов, поскольку их системы репликации были несовершенны и допускали ошибки при копировании ДНК. Именно из-за несовершенства и неустойчивости биохимических систем эти организмы, скорее всего, предпочитали холодный климат, а не горячие источники. Многие ученые, как, например, Патрик Фортер (Patrick Forterre), полагают, что бактерии появились на Земле намного позже и принципиально отличаются от тех первых организмов, которые изобрели форму жизни, основанную на взаимодействии белков и ДНК. Действительно, если первоисточником жизни была РНК, то в организмах бактерий разнообразие молекул РНК сведено к минимуму, особенно у микроорганизмов, живущих в горячих источниках. Но зато именно в нашем организме можно найти многочисленные реликтовые формы РНК, унаследованные нами от Луки. Бактерии в этом плане гораздо более «продвинуты».

Реликтовые РНК, эти молекулярные ископаемые, широко представлены у многоклеточных организмов. Многие из них являются мельчайшими молекулами, появляющимися в результате сплайсинга информационных РНК или существующими сами по себе, без определенных функций. Выделено много классов этих молекул: направляющие РНК, сброшенные РНК, короткие РНК ядра, короткие ядрышковые РНК и самовырезающиеся интроны. У бактерий ничего подобного нет. Гораздо проще предположить, что эти элементы были утрачены бактериями, чем то, что они были приобретены в ходе эволюции высшими организмами. (В биологии принято отдавать предпочтение более простым гипотезам, если нет явных свидетельств в пользу более сложной гипотезы. Этот подход называется принципом бритвы Оккама (Occam’s razor).