Volume1

618 Часть 2. Основные генетические механизмы

Рис. 6.99. Молекула РНК, способная катализировать свой собственный синтез. Этот гипотетический процесстребовалбы икатализа производствавторойнитиРНКскомплементарнойпоследовательностью нуклеотидов, и использования этой второй молекулы РНК как матрицы для образования многочисленныхмолекулРНКсисходнойпоследовательностью.Красными«подковами»показаныактивные участкитакихгипотетическихРНК-ферментов.

не стала бы прямым доказательством того, что самореплицирующиеся молекулы РНК играли определяющую роль в происхождении жизни на Земле, она, несомненно, показала бы, что такой сценарий вполне возможен.

6.3.3.  Миру РНК, возможно, предшествовал мир пред-РНК

Хотя РНК и кажется весьма подходящим материалом для формирования базового набора самореплицирующихся биохимических катализаторов, доказательств, что именно РНК была первым видом молекул, которые сыграли эту роль, пока нет. Чисто с химической точки зрения трудно вообразить, сколь долго молекулы РНК могли образовываться в самом начале, когда в их распоряжении были лишь неферментативные пути достижения этой цели. Начнем с того, что предшественники РНК, рибонуклеотиды, трудно образовать неферментативным путем. Более того, для образования РНК необходимо, чтобы длинный ряд фосфодиэфирных связей 3′–5′ был собран вопреки набору конкурирующих реакций, в том числе гидролиза, а также образования связей 2′–5′ и 5′–5′. Исходя из этих аргументов, было высказано предположение о том, что первыми молекулами, которые обладали

икаталитической активностью, и способностью хранить информацию, возможно, были полимеры, которые напоминали РНК, но были устроены химически проще (рис. 6.100). Мы не встречаем никаких следов этих соединений в современных клетках, не оставили такие соединения и записей в палеонтологической летописи жизни. И тем не менее относительная простота этих «РНК-подобных полимеров» предполагает, что один из них, а не сама РНК, мог быть первым биополимером на Земле, способным и хранить информацию, и оказывать каталитическое действие.

Если гипотеза о мире пред-РНК верна, то должен был произойти переход

кмиру РНК, и, возможно, это произошло в ходе синтеза РНК с использованием одного из таких более простых полимеров одновременно в качестве матрицы

икатализатора. И хотя детали миров пред-РНК и РНК, вероятно, так и останутся неизвестными, мы знаем наверняка, что молекулы РНК могут катализировать широкий спектр химических реакций, и сейчас мы как раз обратимся к свойствам РНК, благодаря которым это возможно.

Глава 6. Клеточные механизмы считывания генома: путь от ДНК к белку 619

Рис.6.100.СтруктурыРНКидвухсхожихснейполимеров—носителейинформации.Вовсехслучаях буква О на зеленом фоне обозначает пуриновое или пиримидиновое основание. Полимер ТНК (треозонуклеиновая кислота; threose nucleic acid, TNA) содержит 4-хуглеродноеуглеводноезвено в отличие отпятиуглероднойрибозывРНК.ВПНК(пептиднойнуклеиновойкислоте;peptidenucleicacid,PNA)рибозофосфатныйостовРНКзамененпептиднымостовом,встречающимсявбелках.ПодобноРНК,ТНКиПНК могутобразовыватьдвойныеспиралипутемкомплементарногоспариванияоснованийипоэтомукаждый изэтихполимеровмогбы,впринципе,послужитьматрицейдлясвоегособственногосинтеза.

6.3.4.  Одноцепочечные молекулы РНК способны сворачиваться в очень сложные структуры

Как мы могли убедиться, комплементарное спаривание оснований и водородные связи прочих типов могут возникать между нуклеотидами в одной и той же цепи, заставляя молекулу РНК складываться уникальным образом, определяемым ее нуклеотидной последовательностью (см., например, рис. 6.6, 6.52 и 6.69). Сравнение множества структур РНК позволило обнаружить консервативные мотивы — короткие элементы структуры, которые используются много раз как составные части более крупных структур. На рис. 6.101 показаны некоторые из таких мотивов вторичной структуры РНК, а на рис. 6.102 приведено несколько часто встречающихся примеров более сложных взаимодействий и иногда более дальнего порядка, известных как третичные взаимодействия РНК.

620 Часть 2. Основные генетические механизмы

Рис.6.101.СтандартныеэлементывторичнойструктурыРНК.Обычныевзаимодействиятипакомплемен-

тарногоспариванияоснованийобозначеныкрасными«перекладинами»вдвунитевыхчастяхРНК.

Рис. 6.102. Примеры третичных взаимодействий в РНК. Некоторые из таких взаимодействий могут состыковать отдаленные части одной и той же молекулы РНК или соединить две отдельные молекулы РНКдругсдругом.

Белковым катализаторам нужна поверхность с уникальными физическими и химическими свойствами, на которой данный набор субстратов может вступать

Глава 6. Клеточные механизмы считывания генома: путь от ДНК к белку 621

Рис.6.103.Рибозим.ЭтапростаямолекулаРНКкатализирует расщепление второй РНК в определенном участке. Такойрибозимвстречаетсявстроеннымвболеекрупные РНК-геномы,—называемыевироидами,—которыезара- жаютрастения.Расщепление,котороепроисходитвприродевотдаленномместетойжесамоймолекулыРНК,что содержитрибозим,являетсяоднимизэтаповрепликации вироидного генома. Хотя это и не показано на рисунке, для протекания такой реакции необходима молекула7 Mg в активном участке. (Переработано из T. R. Cech and O. C. Uhlenbeck,Nature372:39–40,1994.Слюбезногораз- решенияиздательстваMacmillanPublishersLtd.)

в реакцию (помнится, мы уже обсуждали это в главе 3). Точно так же молекула РНК, надлежащим образом свернутая в соответствующую

форму, может служить ферментом (рис. 6.103). Подобно некоторым белкам, многие из таких рибозимов работают за счет ионов металлов, заключенных в их активных участках. Эта особенность открывает перед ними более ши-

рокий горизонт каталитических возможностей на фоне ограниченного репертуара химических групп полинуклеотидной цепи.

Однако в современных клетках, как известно, относительно немного каталитических РНК, и бóльшая часть наших умозаключений о мире РНК опирается на данные лабораторных

экспериментов, в которых создаются большие пулы молекул РНК со случайными последовательностями нуклеотидов. После этого из их числа отбирают и изучают те редкие молекулы РНК, что обладают свойством, заданным экс-

периментатором (рис. 6.104). В ходе таких экспериментов созданы молекулы РНК, которые могут катализировать широкий диапазон биохимических реакций (табл. 6.5) со скоростями , приближающимися к таковым у белков. На фоне таких результатов не ясно, почему белковые катализаторы значительно превосходят числом рибозимы в современных клетках. Эксперименты показали, что молекулы РНК могут испытывать больше трудностей, чем белки, при связывании гибких гидрофобных субстратов; более того, наличие 20 типов аминокислот против четырех типов оснований может наделить белки бóльшим числом каталитических стратегий.

Подобно белкам, молекулы РНК могут претерпевать конформационные изменения — или в ответ на малые молекулы, или на другие РНК. Мы видели несколько примеров этого в рибосоме и сплайсосоме и увидим другие в главе 7, когда представим на суд читателя рибопереключатели (riboswitches). Одно из наиболее значительных конформационных изменений РНК наблюдалось с искусственным рибозимом, который может существовать в двух совершенно разных конформациях,

7 Имеется в виду ион Mg2+. — Прим. перев.

622 Часть 2. Основные генетические механизмы

Рис. 6.104. Отбор синтетического рибозима in vitro. Начав с большого множества случайных молекул нуклеиновыхкислот,синтезированныхвлаборатории,можновыделитьиисследоватьтередкиемолекулыРНК,которыеобладаютзаданнойкаталитическойактивностью.Хотяздесьпредставленхарактерный пример (автофосфорилирующий рибозим), разновидности этой процедуры использовались для получениямногихрибозимов,перечисленныхвтаблице6.5.Вовремяреакцииавтофосфорилирования РНК находится в достаточно разбавленной концентрации — с целью предотвратить «перекрестное» фосфорилирование между молекулами РНК. В действительности, необходимо несколько повторов этой процедуры для отбора очень редких молекул РНК с заданным каталитическим действием. Так, материал,вначалеэлюированныйизколонки,конвертируютобратновДНК,многократноамплифицируют(используяобратнуютранскриптазуиПЦР,какобъясненовглаве8),транскрибируютопятьвРНК и подвергают повторным раундам селекции. (Переработано из J. R. Lorsch and J. W. Szostak, Nature 371:

31–36,1994.СлюбезногоразрешенияиздательстваMacmillanPublishersLtd.)

624 Часть 2. Основные генетические механизмы

Рис. 6.105. Молекула РНК, которая сворачивается в два разных рибозима. Эта 88-нуклеотидная РНК,

созданнаявлаборатории,можетсвернутьсяврибозим,которыйвыполняетреакциюсамолигирования (слева),иливрибозим,которыйосуществляетреакциюсаморасщепления(справа).Входереакциилиги- рованияобразуетсяфосфодиэфирнаясвязь2'–5'ивысвобождаетсяпирофосфат.Этареакция«сшивает» разрыв(серыйфон),которыйбылэкспериментальновведенвмолекулуРНК.Вреакции,выполняемой вирусом гепатита D (HVD), РНК расщепляется в этой же позиции, указанной стрелкой. Это расщепление напоминает то, что было использовано в цикле жизни HVD (сателлит вируса гепатита B) — отсюда иназваниеукладки.Каждыйнуклеотидпредставленцветнойточкой,причемцветапростопомогают отличатьэтидваразныхобразцаукладки.Свернутыеструктурыиллюстрируютвторичныеструктурыэтих двух рибозимов, где области спаривания оснований обозначены близко стоящими в паре цветными точками.Обратитевнимание,чтоукладкиэтихдвухрибозимовнеимеютобщихэлементоввторичной структуры. (Переработано из E. A. Schultes and D. P. Bartel, Science 289: 448–452, 2000. С любезного раз-

решенияиздательстваAAAS.)

полости (компартменте). Например, набор взаимно выгодных РНК (таких как представленные на рис. 6.107) мог бы сам себя реплицировать, только если все эти РНК оставались бы по соседству с РНК, которая специализируется на матричной полимеризации. Более того, компартментализация стала бы барьером для вторжения в систему паразитических молекул РНК. Так что отбор набора молекул РНК согласно способности самореплицирующихся систем производить ту или иную продукцию не мог быть эффективным до тех пор, пока эволюцией не был рожден некий компартмент, заключивший их в свое лоно.

Ранняя, грубая форма компартментализации могла представлять собой просто адсорбцию на поверхностях или частицах. Потребность в более замысловатых типах компартмента с легкостью удовлетворялась классом малых молекул, которые обладают нехитрым физико-химическим свойством амфифильности, то есть состоят из гидрофобной (водонерастворимой) части и гидрофильной (водорастворимой) части.

Глава 6. Клеточные механизмы считывания генома: путь от ДНК к белку 625

Рис. 6.106. Созданный в лаборатории рибозим, который может катализировать матричный синтез РНКизнуклеозидтрифосфатов.а)Схемарибозимаиодногошагакатализируемойимреакцииматричнойполимеризации.б)Нуклеотиднаяпоследовательностьрибозимасобозначенныминанейпарами оснований. Хотя этот рибозим не отличается особой эффективностью (он может синтезировать лишь короткиеотрезкиРНК),ондобавляетправильное,предписанноематрицейоснованиеболеечемв95% случаев. (Заимствовано из W. K. Johnston et al., Science 292: 1319–1325, 2001. С любезного разрешения издательстваAAAS.)

Когда такие молекулы помещают в воду, они объединяются в агрегаты, как можно плотнее примыкая друг к другу своими гидрофобными частями, а гидрофильньные выставляя в воду. Амфифильные молекулы соответствующей формы самопроизвольно объединяются в двойные слои, или бислои, создавая маленькие замкнутые пузырьки (везикулы), водное содержимое которых отделено от внешней среды (рис. 6.108). Это явление можно продемонстрировать в пробирке, просто смешивая фосфолипиды и воду друг с другом — при

Рис.6.107.СемействовзаимноподдерживающихсвоесуществованиемолекулРНК.Одна молекула — рибозим, который реплицирует и сам себя, и другие молекулы РНК. Остальныемолекулыкатализируютвторостепенные реакции, необходимые для выживания такой кооперативной системы, — например, синтезрибонуклеотидовдлясинтезаРНКили фосфолипидовдляразделенияпространства накомпартменты.

Глава 6. Клеточные механизмы считывания генома: путь от ДНК к белку 627

6.3.6.  Как именно эволюционировал механизм синтеза белка?

Молекулярные процессы, лежащие в основе синтеза белка в современных клетках, кажутся нам невероятно сложными. Хотя мы и понимаем большинство из них, они не дают нам концептуального осознания того пути, которым происходят транскрипция ДНК, репарация ДНК и репликация ДНК. Особенно трудно представить, как синтез белка появился в ходе эволюции, потому что сейчас, как мы видим, он осуществляется сложной взаимосвязанной системой молекул РНК и белков; очевидно, что белки не могли существовать до того, как ранняя версия трансляционного аппарата не вышла в свет. Гипотеза о мире РНК особенно привлекательна потому, что использование РНК и для хранения информации, и для катализа кажется экономически выгодным и несложным по замыслу. Будучи притягательной для умов, рисующих в своем воображении красочные картины о первых днях жизни на Земле, эта теория не объясняет, как возникла современная система синтеза белка. Хотя мы можем лишь размышлять о происхождении современного механизма синтеза белка и генетического кода, несколько экспериментальных наблюдений подсказывают нам правдоподобные сценарии.

Всовременных клетках некоторые короткие пептиды (типа антибиотиков) синтезируются без рибосомы; ферменты пептидсинтетазы собирают такие пептиды из аминокислот, располагая их в надлежащей последовательности, не прибегая

кпомощи молекул мРНК в управлении синтезом. Вполне возможно, что такая бескодовая, примитивная версия синтеза белка сначала развилась во время мира РНК, где она катализировалась молекулами РНК. Эта идея не представляет никаких концептуальных трудностей, потому что, как мы видели, в современных клетках образование пептидных связей катализируется рРНК. Мы знаем также и то, что рибозимы, созданные в лаборатории, могут выполнять специфические реакции аминоацилирования; то есть они способны подобрать конкретной аминокислоте соответствующую ей тРНК. Поэтому вполне возможно, что тРНК-подобные адапторные молекулы, каждая из которых соответствует определенной аминокислоте, могли возникнуть в мире РНК, положив начало генетическому коду.

Впринципе, другие молекулы РНК (предшественники молекул мРНК) могли служить грубыми матрицами для направления неслучайной полимеризации нескольких разных аминокислот. Любая РНК, которая помогала проводить синтез полезного полипептида, имела бы большое преимущество в эволюционной борьбе за выживание. Мы можем представить себе относительно неспецифичный рибозим пептидилтрансферазу, который в течение какого-то времени стал крупнее и приобрел способность размещать заряженные аминокислотами молекулы тРНК точно на матрицах РНК — и в конечном счете воплотился в современную рибосому. Как только в ходе эволюции появился синтез белка, стал возможным переход к миру, в котором правят белки, и в конечном счете они взяли на себя большинство каталитических и структурных задач — в силу большей многофункциональности, обусловленной наличием 20-ти, а не 4-х различных субъединиц в своем составе. Хотя только что обрисованные сценарии являются лишь умозрительными, известные свойства молекул РНК вполне вписываются в эти гипотетические картины.

6.3.7.  Все ныне живущие клетки в качестве своего наследственного материала используют ДНК

Если умозрительные рассуждения об эволюции, воплощенные в гипотезе о мире РНК, верны, то первые клетки должны были существенно отличаться от клеток,