Ученые Института биологических исследований Солка обнаружили доказательства гипотезы РНК-мира, согласно которой ключевым предшественником живых клеток стали самовоспроизводящиеся молекулы РНК. Такой сценарий, по его мнению, больше соответствует результатам экспериментов и тому, что мы видим в современных организмах, чем гипотеза «РНК-мира». Сторонники гипотезы РНК-мира считают, что на начальном этапе зарождения жизни на нашей планете возникли автономные РНК-системы, которые катализировали «метаболические» реакции (например, синтеза новых рибонуклеотидов) и самовоспроизводились. гипотеза, с которой срослась проблема внезапного (для учёных особенно) возникновения жизни на совсем молодой, не оформившейся, подвергающейся.
Происхождение жизни, часть 2: РНК-мир
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. Что же это такое? Как известно, информация об аминокислотной последовательности белка передаётся в рибосому через мРНК. 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]. Важно понимать принцип работы РНК-переключателей, поэтому скажем пару слов об их устройстве. Состоит он из двух частей: из аптамера и «экспрессионной платформы». Аптамер, по сути, является рецептором, который с очень высокой селективностью связывается с определённой молекулой.
Эффекторной молекулой для аптамера является молекула, производимая белком, ген которого и регулируется переключателем. Однако существуют и РНК-переключатели, действующие по более сложному механизму. Например, рибопереключатель, контролирующий транскрипцию гена metE бактерии Bacillus clausii, является двойным, то есть имеет два рецепторных участка, связывающих две разных молекулы [9]. Разберём данный механизм подробнее. Ген metE кодирует фермент, превращающий гомоцистеин в аминокислоту метионин. Затем метионин используется уже другим ферментом для синтеза S-аденозилметионина или проще — SAM. Помимо гена metE, существует и другой ген — metН. Белок гена metН катализирует ту же реакцию, но с большей эффективностью, чем metE. Однако metН для своей работы требует кофермент — метилкобаламин или MeCbl , синтезируемый из аденозилкобаламина или AdoCbl.
То есть, для выключения metE достаточно связывания с рецепторами рибопереключателя либо одной из эффекторных молекул, либо сразу обеих. Сам механизм прерывания трансляции основан на образовании шпильки путём удаления шести нуклеотидов из рибопереключателя рис. Логику действий такого элемента NOR можно описать так: «Я подавляю транскрипцию, если в среде присутствует либо вещество А, либо вещество В, либо оба вещества сразу». Остаётся только удивляться, сколь красивы и элегантны решения Природы! 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. 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. 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 Рисунок 3.
В последующем эксперименте в менее восстановительной атмосфере, чем у Юри, были получены нуклеотиды [14] , что еще больше укрепило гипотезу мира РНК. Эта гипотеза также подтверждается исследованиями очень простых рибозимов, таких как вирусные Q-бета РНК , которые продемонстрировали способность к самовоспроизведению даже под очень сильным селективным давлением. Фактически ультрафиолетовые лучи одновременно вызывают полимеризацию РНК и расщепление других типов органических молекул, потенциально способных катализировать деградацию РНК например, рибонуклеаз. Во всяком случае, это аспект, еще не подтвержденный экспериментальными наблюдениями. Противоположные аргументы Аргументы, противоречащие гипотезе, основаны на маловероятности спонтанного образования молекул РНК, а также на том, что цитозиновое основание недостаточно проверено в методах пребиотического тестирования, так как легко подвергается гидролизу.
Пребиотические условия, необходимые для самопроизвольного образования трех элементов, составляющих нуклеотид, отличаются друг от друга. Азотистые основания образуются в средах, отличных от тех, которые необходимы для образования сахаров, присутствующих в скелете нуклеиновой кислоты. По этой причине было бы необходимо предположить спонтанный синтез двух классов молекул в разных средах с последующим их объединением. Однако надо сказать, что в водной среде такое соединение маловероятно, так как азотистые основания и сахара в любом случае не способны реагировать. Третий элемент, фосфат , сам по себе крайне редко встречается в природных растворах, так как быстро выпадает в осадок. И даже если он присутствует, он должен сочетаться с нуклеозидом на правильном гидроксиле. Таким образом, чтобы встроиться в молекулу РНК, нуклеотид должен быть активирован за счет связывания двух других фосфатных групп с образованием, например, аденозинтрифосфата. Помимо всего этого, рибоза должна иметь правильную стереоизомерию , так как нуклеотиды, имеющие неправильную хиральность , выступают в роли терминаторов транскрипции. Фактически, он утверждал, что этот эксперимент не показал, что нуклеиновые кислоты были основой происхождения жизни, а просто показал, что эта гипотеза не была неправдоподобной. Кэрнс-Смит утверждал, что для того, чтобы достичь количества молекул, необходимого для возникновения жизни, процесс построения нуклеиновых кислот должен соблюдать 18 автономных условий между ними в течение нескольких миллионов лет.
Мир РНК в деталях Механизмы синтеза пребиотической РНК Гипотеза предполагает наличие в первичном бульоне нуклеотидов, способных легко образовывать химические связи между собой и с такой же вероятностью разрывать эти связи благодаря малой энергии, необходимой для таких событий. В этой среде некоторые последовательности оснований, обладающие каталитическими свойствами, могли бы усиливать образование последовательностей с идентичными характеристиками именно благодаря каталитической активности, способной снижать энергию, необходимую для образования таких последовательностей.
ELife: обнаружено случайное возникновение самовоспроизводящихся молекул Источник фото: Сгенерировано нейросетью fusionbrain Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории опубликовали статью в журнале eLife, в которой сообщили об обнаружении новых доказательств гипотезы РНК-мира. По данной гипотезе, первые репликаторы на Земле представляли собой РНК-молекулы, способные размножаться без участия белковых ферментов. Исследователи столкнулись с проблемой - как такая молекула могла появиться из предшественников, не обладающих каталитической активностью. Источник фото: Фото редакции Однако было установлено, что рибозим, способный расщеплять другие молекулы, может возникнуть спонтанно благодаря нескольким консервативным элементам.
Об этом ТАСС сообщил директор по комплексной безопасности группы компаний… Устроивших массовую драку в Туапсе граждан Узбекистана выдворят из России Пятнадцать граждан Республики Узбекистан, устроивших в среду массовую драку в Туапсе, будут оштрафованы и выдворены из России, сообщили в прокуратуре Краснодарского края.
Кадры массовой драки появились в сети ещё в… МИД Польши: Дуда не уполномочен обсуждать размещение ядерного оружия Президент Польши Анджей Дуда не уполномочен обсуждать возможность размещения ядерного оружия в стране. Хотя некоторым удается ограничиться незначительным увеличением, для большинства это становится серьезной проблемой.
Моделирование происхождения жизни: Новые доказательства существования "мира РНК"
Путём последовательного удвоения доз яда была выведена порода РНК, стойкая к очень высоким его концентрациям. Всего в эксперименте сменилось 100 пробирочных поколений и намного больше поколений РНК, так как поколения сменялись и внутри каждой пробирки. Хотя в этом эксперименте РНК-репликаза добавлялась в раствор самими экспериментаторами, Оргел обнаружил, что РНК способны и к спонтанному самокопированию, без добавления фермента, правда, намного медленнее. Дополнительный эксперимент был позже проведён в лаборатории немецкой школы Манфреда Ейгена. 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.
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 К. Боков и С. Штейнберг, изучив основную составляющую рибосомы бактерии Escherichia coli, молекулу 23S-рРНК, показали, каким образом из относительно небольших и простых рибозимов мог развиться механизм белкового синтеза.
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. 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.
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 Рисунок 3. Вторичная структура тРНК. На рисунке отчётливо видна характерная для тРНК вторичная структура в виде «клеверного листа». В нижней части молекулы находится антикодоновая петля, ответственная за комплементарное связывание с кодоном мРНК. Согласно гипотезе геномного тэга, верхняя и нижняя половины тРНК эволюционировали по отдельности, причём верхняя половина древнее нижней. 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]. Обратимся к вирусной РНК. Тэг играет роль шаблона при инициации репликации вирусной РНК. Более того, эти участки бывают настолько похожи на «настоящие» тРНК [10] , что могут быть аминоацилированы то есть к ним может быть присоединена аминокислота при помощи фермента аминоацил-тРНК-синтетазы. Тем самым видно, что тРНК современных организмов способны также служить и праймерами. 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]. Они сосредоточили внимание на 23s-рРНК состоящей из шести доменов, I—VI , так как именно в этой молекуле находится функциональный центр, ответственный за реакцию транспептидации присоединение новой аминокислоты к растущей полипептидной цепи. Данная молекула содержит около трёх тысяч нуклеотидов и способна образовывать сложные трёхмерные структуры. Важную роль в поддержании трёхмерной структуры молекулы играют так называемые А-минорные связи [11]. Они представляют собой связи между «стопками» нуклеотидов как правило, аденозинов [11] с участками, образующими двойные спирали. Связи формируются между спиралями и стопками, расположенными в разных областях молекулы.
Соответственно, в молекуле должна присутствовать некая более простая структура, с которой и началась её эволюция. Особое внимание исследователей привлёк домен V [11]. Интересным в нём было то, что он содержит большое количество двойных спиралей при фактически полном отсутствии аденозиновых стопок.
У Кришнамурти теперь есть экспериментальные доказательства, чтобы продемонстрировать, что жизненный процесс на Земле мог начаться с молекул, которые выглядели как смесь РНК и ДНК. В последнем выпуске Nature Chemistry он и первый автор исследования, Субхенду Боумик, доктор философии, также из Научно-исследовательского института Скриппса, сообщают, что эти смешанные молекулы образуют нестабильные дуплексы и имеют меньшую аффинность к себе. Фактически, исследователи смогли сформировать эти химеры в лабораторных условиях и показать, что они обладают потенциалом для репликации РНК и ДНК, и, таким образом, образованные РНК и ДНК способны воспроизводить химеры. Такое поведение может привести к кросс-каталитической амплификации РНК и ДНК - ключевому шагу к эволюции сложных организмов. Новый проект экспериментально поддерживает идею о том, что жизнь могла возникнуть из гораздо более сложной системы, где «чистой» РНК и ДНК еще не существовало.
И здесь стоит вспомнить об РНК-перключателях или рибопереключателях англ. Что же это такое? Как известно, информация об аминокислотной последовательности белка передаётся в рибосому через мРНК. 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]. Важно понимать принцип работы РНК-переключателей, поэтому скажем пару слов об их устройстве. Состоит он из двух частей: из аптамера и «экспрессионной платформы». Аптамер, по сути, является рецептором, который с очень высокой селективностью связывается с определённой молекулой. Эффекторной молекулой для аптамера является молекула, производимая белком, ген которого и регулируется переключателем. Однако существуют и РНК-переключатели, действующие по более сложному механизму. Например, рибопереключатель, контролирующий транскрипцию гена metE бактерии Bacillus clausii, является двойным, то есть имеет два рецепторных участка, связывающих две разных молекулы [9]. Разберём данный механизм подробнее. Ген metE кодирует фермент, превращающий гомоцистеин в аминокислоту метионин. Затем метионин используется уже другим ферментом для синтеза S-аденозилметионина или проще — SAM. Помимо гена metE, существует и другой ген — metН. Белок гена metН катализирует ту же реакцию, но с большей эффективностью, чем metE. Однако metН для своей работы требует кофермент — метилкобаламин или MeCbl , синтезируемый из аденозилкобаламина или AdoCbl. То есть, для выключения metE достаточно связывания с рецепторами рибопереключателя либо одной из эффекторных молекул, либо сразу обеих. Сам механизм прерывания трансляции основан на образовании шпильки путём удаления шести нуклеотидов из рибопереключателя рис. Логику действий такого элемента NOR можно описать так: «Я подавляю транскрипцию, если в среде присутствует либо вещество А, либо вещество В, либо оба вещества сразу». Остаётся только удивляться, сколь красивы и элегантны решения Природы! 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. 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. 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 Рисунок 3. Вторичная структура тРНК.
Почему РНК не хватало
- Тайна появления жизни на Земле -
- Ученые нашли новые доказательства РНК-мира
- Ученые обнаружили новые доказательства гипотезы РНК-мира
- гипотеза "Мир-РНК"
Молекулы РНК появились на Земле раньше молекул ДНК и белков
Экзонуклеазы — белки из группы нуклеаз, отщепляющие концевые мононуклеотиды от полинуклеотидной цепи путём гидролиза фосфодиэфирных связей между нуклеотидами. Данный процесс называется обратной транскрипцией, так как передача генетической информации при этом происходит в «обратном», относительно транскрипции, направлении. Идея обратной транскрипции вначале была очень непопулярна, так как противоречила центральной догме молекулярной биологии, которая предполагала, что ДНК транскрибируется в РНК и далее транслируется в белки. Однако в 1970 году Темин...
Третичная структура или трёхмерная структура — пространственное строение включая конформацию всей молекулы белка или другой макромолекулы, состоящей из единственной цепи. Химическая эволюция или пребиотическая эволюция — этап, предшествовавший появлению жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул под влиянием внешних энергетических и селекционных факторов и в силу развертывания процессов самоорганизации, свойственных всем относительно сложным системам, которыми, бесспорно, являются все углеродосодержащие молекулы. Первичная структура англ.
Для стандартного биополимера, в молекуле которого нет разветвлений и перекрестных связей например, ДНК, РНК или белков понятие первичной структуры является синонимом последовательности остатков мономеров нуклеотидов или аминокислот. Считается, что термин «первичная структура» был впервые употреблён Линнерстрёмом-Лангом... Для сокращенного обозначения пользуются большими латинскими буквами.
Аденин и гуанин являются производными пурина, а цитозин, урацил и тимин — производными пиримидина. Рибонуклеазы классифицируют на эндорибонуклеазы и экзорибонуклеазы. К рибонуклеазам относят некоторые подклассы КФ 2.
Остаток в биохимии и молекулярной биологии — структурная единица биополимера, состоящего из аминокислот и сахаров; часть мономера, которая остаётся неизменной после включения его в биополимер. Например, остатками принято называть аминокислотные звенья, входящие в состав пептида. Остатки уже не являются аминокислотами, так как в результате реакции конденсации, они утратили по одному атому водорода из аминогруппы и гидроксил, входящий в состав карбоксильной группы.
Кроме того, остатками также считаются... История молекулярной биологии начинается в 1930-х годах с объединения ранее отдельных биологических дисциплин: биохимии, генетики, микробиологии и вирусологии. Кроме того, в надежде, что новая дисциплина откроет возможности понимания фундаментальных основ жизни, в неё пришли многие химики и физики.
Свободные нуклеотиды, в частности АТФ, цАМФ, АДФ, играют важную роль в энергетических и информационных внутриклеточных процессах, а также являются составляющими частями нуклеиновых кислот и многих коферментов. Этот процесс называется сплайсингом от англ. Для каждой протеиногенной аминокислоты существует своя аминоацил-тРНК-синтетаза.
Чтобы в этом разобраться, ученые разработали модель, которая имитирует случайные разрывы в простых молекулах РНК без ферментативной активности. В ходе эксперимента появились короткие цепочки РНК, которые действовали как праймеры — затравки для синтеза более длинных цепей РНК. Из-за этого появлялось множество копий разрушенного полимера. Ученые сравнили такое явление с регенерацией червей, которых разрезают на сегменты.
Manfred Sumper и Рудигер Льюс англ. John Sutherland 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.
Сначала темп синтеза был замедлен ядом, но примерно после девяти «пробирочных поколений» эволюции в процессе естественного отбора вывелась новая порода РНК, стойкая к яду. Путём последовательного удвоения доз яда была выведена порода РНК, стойкая к очень высоким его концентрациям. Всего в эксперименте сменилось 100 пробирочных поколений и намного больше поколений РНК, так как поколения сменялись и внутри каждой пробирки. Хотя в этом эксперименте РНК-репликаза добавлялась в раствор самими экспериментаторами, Оргел обнаружил, что РНК способны и к спонтанному самокопированию, без добавления фермента, правда, намного медленнее. Дополнительный эксперимент был позже проведён в лаборатории немецкой школы Манфреда Ейгена. Она была создана постепенно нарастающей эволюцией.
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.
Среди наиболее важных каталитических свойств, связанных с происхождением жизни, можно выделить: Способность к самодупликации или дублированию других молекул РНК. В лаборатории были получены относительно короткие молекулы РНК, способные дублировать другие. Самая короткая идентифицируемая длина составляет 165 оснований, хотя считается, что может быть достаточно и меньшего размера. Способность катализировать простые химические реакции, что позволяет создавать новые молекулы. Относительно короткие нити с такими возможностями были изготовлены в лаборатории. Эта операция в настоящее время выполняется рибосомами , комплексами, состоящими из белков и двух длинных молекул РНК известных как рРНК , которые, как полагают, несут главную ответственность за активность синтеза белка.
В лаборатории была синтезирована молекула, способная образовывать короткие пептиды. Можно предположить, что современные рибосомы могли произойти из таких молекул. Также было высказано предположение, что аминокислоты могли первоначально образовывать комплексы с молекулами РНК в качестве кофакторов , способных усиливать и диверсифицировать ферментативные способности; мРНК могла произойти из сходных молекул, а тРНК из филаментов, способных катализировать перенос одних и тех же аминокислот к коротким пептидам. Самое главное, эта группа делает молекулу менее стабильной, так как она может атаковать близлежащую фосфодиэфирную связь и разорвать ее. Другим существенным отличием является используемый набор оснований РНК , который включает урацил вместо тимина , используемого ДНК. Это аналогичные молекулы, хотя для производства урацила требуется меньше энергии. С точки зрения спаривания соответствующих последствий нет: аденин способен безразлично связывать оба основания. Реальным ограничением использования урацила является то, что он может быть результатом дезаминирования цитозина , что делает молекулы РНК особенно восприимчивыми к мутациям, которые заменяют пары оснований , такие как GC на GU.
Структура РНК делает ее длинные нити хрупкими по своей природе, которые могут подвергаться деградации посредством гидролиза. Ароматические основания, которые эффективно поглощают УФ -излучение , также очень склонны к структурным модификациям, что делает точность такого сохранения очень низкой. Наличие такой оптимизированной молекулы , как ДНК, объясняет, почему сегодня для этой цели не используется РНК, но не исключает, что это могло иметь место на первобытных стадиях жизни на Земле.
Гипотеза мира РНК
Чтобы понять, как эта функция сохранилась в процессе эволюции, исследователи разработали модель, имитирующую случайные разрывы в простых молекулах РНК. В результате образовывались короткие цепочки, которые действовали как затравки для синтеза более длинных молекул. Этот механизм приводил к образованию большого количества копий разрушенного полимера. Во второй модели к пулу РНК-цепочек, способных к спонтанному образованию рибозим, были добавлены ферменты, катализировавшие расщепление.
Можно предположить, что роль стрессовых гранул состоит в подавлении трансляции большинства матриц при избирательном отсутствии подавления трансляции определенных мРНК. Так, активно транслирующаяся при стрессе мРНК шаперона Нsp70 не включается в стрессовые гранулы. Синтез в клетках рекомбинантной укороченной формы белка ТIА-1, ингибирующей образование стрессовых гранул, одновременно усиливает трансляцию репортерной мРНК в клетках, подвергнутых стрессу. Стрессовые гранулы можно представить как «зал ожидания», в котором «пассажиры» - неполные инициаторные комплексы — терпеливо пережидают нелетную погоду. Ее уникальные свойства быть как носителем наследуемой информации, так и возможность образовывать сложные трехмерные структуры, обладающие каталитической активностью, определяют то, что первичной молекулой могла быть РНК. Таким образом, в одной молекуле заложены как генотип, так и фенотип. Спектр реакций, выполняемых ферментами РНК — рибозимами — очень широк, поэтому в последнее время ведутся очень активные поиски новых рибозимов, способных осуществлять другие типы реакций. Они служат катализаторами при расщеплении и сшивании других молекул РНК. У рибозимов есть интересная особенность: максимум их активности приходится на низкие температуры. То есть они фактически обеспечивают низкотемпературный катализ. Первые рибозимы, обнаруженные Альтманом и Чеком в 1982-1983 гг, были не особенно эффективны: они лишь разрезали и соединяли отдельные фрагменты целых молекул РНК. Однако дальнейшие исследования продемонстрировали, что эти ферменты могут катализировать и другие реакции. Джек Шостак, экспериментируя с модифицированными рибозимами, сумел выделить катализатор, способный соединять друг с другом короткие цепочки нуклеотидов. При этом использовалась энергия трифосфатных химических групп — тех самых соединений, которые и сегодня обеспечивают энергией биохимические реакции. Это обстоятельство подтвердило идею, что рибозимы могут функционировать сходным образом с современными белковыми ферментами. У ряда видов примитивных эукариот Tetrahymena thermophila и др. Такие интроны встречаются также в генах рРНК митохондрий, хлоропластов, дрожжей и грибов, однако они не выявлены в генах позвоночных животных. Изучение процессинга 26S рРНК тетрахимены аналог 28S рРНК высших эукариот , выполненное Чеком и сотрудниками, привело к открытию особого вида сплайсинга, осуществляемого без участия каких-либо белков и получившего название аутосплайсинг сплайсинг типа I. Таким образом была открыта аутокаталитическая функция РНК и положено начало изучению рибозимов. Таким образом в результате реакции трансэтерификации без дополнительных затрат энергии осуществляется лигирование двух экзонов с образованием зрелой 26S рРНК. Вырезанный интрон затем циклизуется. Из его состава путем двухэтапного ауторасщепления освобождается фрагмент, содержащий 19 нуклеотидов, в результате чего образуется РНК длиной 376 нуклеотидов L-19 IVS , которая и представляет собой истинный РНК-фермент рибозим , обладающий каталитическими свойствами. Этот рибозим обладает устойчивой структурой, имеет эндонуклеазную активность, расщепляя длинные одноцепочечные РНК. Схема аутосплайсинга у тетрахимены и процесс образования рибозима Оказалось также, что рибозим L-19 IVS помимо нуклеазной обладает invitro нуклеотидилтрансферазной полимеразной активностью и способен катализировать синтез олигонуклеотидов олиго-С. Это указывает на возможность аутокаталитической репликации РНК и является одним из важных свидетельств в пользу существования «мира РНК». В структуре интронов типа I выявлены характерные внутренние олигопуриновые последовательности у тетрахимены это последовательность GGАGGG , называемые адапторными последовательностями, которые участвуют в образовании активного центра РНК-ферментов и выполняют важнейшую роль в каталитическом расщеплении РНК. Детальные исследования природных РНК-ферментов послужили мощным стимулом к моделированию и синтезу рибозимов заданного строения. Такие рибозимы стали называть минизимами. Вскоре после открытия рибозимов Т. Чеком в одной из своих работ Ф. Крик писал: «Эти эксперименты по каталитической РНК поддерживают гипотезу, что биохимия РНК предшествовала традиционной биохимии, основанной на нуклеиновых кислотах и белках». А Белозерский в 1957 году писал: «Нет никаких сомнений, что в процессе развития органического мира нуклеиновые кислоты играли значительную роль. Нам представляется, что возникновение рибонуклеотидов и затем РНК было первичным. ДНК возникла значительно позже и параллельно с усложнением функций и все большей дифференциацией протоплазмы». Теперь можно было предположить, что молекулы РНК могли бы обходиться не только без ДНК как генетического вещества, но и без белков для осуществления катализа важных синтетических и метаболических реакций. Идея древнего безбелкового мира РНК как возможного предшественника современной жизни на Земле была окончательно сформулирована в 1986 г. В настоящее время гипотеза о том, что жизнь начиналась с молекул РНК и их ансамблей, является общепринятой. Таким образом, термин «мир РНК» широко используется теперь для обозначения древней, пребиотической ситуации на Земле, имевшей место около 4 млрд. Таким образом, согласно существующим представлениям, в древнем мире РНК не было ни белков, ни ДНК, а лишь ансамбли различных молекул РНК, выполняющих разные вышеперечисленные функции. Однако вопрос о возникновении такого мира на Земле — один из самых трудных в науке о происхождении жизни. Можно предполагать, что первичные олигорибонуклеотиды возникали из абиогенно вне организма без участия ферментов образующихся монорибонуклеотидов или их активированных производных путем полимеризации на поверхностях глин и глиноподобных минералов. Возможно также, что был этап, предшествующий химической эволюции нуклеотидоподобных и олигонуклеотидоподобных соединений. В любом случае, появление олигорибонуклеотидов должно было быть отправной точкой появления мира РНК. Однако для дальнейшего развития было необходимо, чтобы абиогенный синтез олигорибонуклеотидов, основанный на редких случайных событиях, был дополнен постоянным механизмом, который мог бы генерировать варианты этих олигомеров и удлинять их при сильной тенденции к их спонтанной химической и физической деструкции. Элонгация коротких олигорибонуклеотидов в полирибонуклеотиды представляется абсолютно необходимым условием для образования компактно свернутых структур со свойствами специфического узнавания лигандов и каталитическими активностями, а генерация вариантов в популяции абиогенных олиго- и полирибонуклеотидов требуется для того, чтобы дать возможности для случайного возникновения нужных функциональных, в том числе каталитических, активностей. В течение долгого времени не было предложено сколько-нибудь удовлетворительного решения этой проблемы. Около 10 лет назад А. Четвериным и сотрудниками был разработан метод молекулярного клонирования РНК: из единичных молекул РНК, помещенных на поверхность геля, содержащего катализатор репликации в данном случае вирусную РНК-зависимую РНК-полимеразу и рибонуклеозидтрифосфаты, оказалось возможным выращивать колонии молекул РНК, идентичных исходной молекуле. Позднее метод был применен для регистрации единичных событий, происходящих внутри популяции РНК в растворе, и была впервые экспериментально показана способность молекул РНК к спонтанной перестройке их нуклеотидных последовательностей в отсутствие каких-либо ферментов и рибозимов. Открытая спонтанная реакция характеризовалась следующими особенностями. Во-вторых, эти перестройки не специфичны по отношению к последовательности и могут происходить в любом месте цепей. Скорость спонтанных перестроек невелика — одно событие в час на миллиард нуклеотидов; это означает, что 0. Появление достаточно длинных полирибонуклеотидов и генерация вариантов за счет спонтанных цис- и транс-перестроек должны были привести к случайному появлению рибозимов, и критическим этапом должно было стать возникновение в популяции РНК рибозима, катализирующего процесс комплементарной репликации РНК. Это — принципиальное условие для того, чтобы размножить — амплифицировать — единичные молекулы случайно возникших в популяции вариантов и сохранить их для эволюции. С появлением таких рибозимов — хотя бы одной молекулы на популяцию молекул РНК в каком-то небольшом водоеме — мир РНК обрел свою сущность как самосохраняющаяся и развивающаяся материя на древней Земле. Скорее всего это были мелкие водоемы и лужи «Дарвиновские пруды» , где могли концентрироваться абиогенно возникающие органические вещества; океанские просторы вовсе не годились для этого. Впрочем, как полагает большинство геологов и палеонтологов, в то время океаны на Земле, по-видимому, еще и не существовали. Присутствие РНК-репликазной активности в водной среде РНК-содержащей лужи или пруда давало в результате эффект амплификации всех олиго- и полирибонуклсотидов этого водоема, то есть рост общей популяции молекул РНК. Однако на этом этапе еще не могло быть никакого отбора «лучших» и, стало быть, никакой биологической эволюции. Дело в том, что в таком случае эффективный РНК-реплицирующий рибозим, присутствующий в луже, одинаково хорошо должен был амплифицировать как редкие молекулы РНК, обладающие какими-либо полезными для популяции свойствами например, свойством адсорбировать из среды различные субстраты или катализировать синтез нужных веществ , так и основную массу неактивных, балластных молекул РНК. Чтобы естественный отбор начал работать, необходима была какая-то форма компартментализации, обособления отдельных ансамблей РНК, в которых рибозимы и их продукты удерживались бы вместе. Только тогда естественный отбор мог отличить те РНК, чей продукт лучше, и те ансамбли, чьи РНК функционально лучше дополняют друг друга. Лучшие обособленные ансамбли РНК — первозданные особи — должны расти быстрее других, перерастать других, тем самым обеспечивая отбор лучших. Четвериным и сотрудниками экспериментально показана способность молекул РНК формировать молекулярные колонии на гелях или других влажных твердых средах, если на этих средах им предоставлены условия для репликации. Смешанные колонии РНК на твердых или полутвердых поверхностях и могли быть первыми эволюционирующими бесклеточными ансамблями, где одни молекулы выполняли генетические функции репликацию молекул РНК всего ансамбля , а другие формировали структуры, необходимые для успешного существования например, такие, которые адсорбировали нужные вещества из окружающей среды или были рибозимами, ответственными за синтез и подготовку субстратов для синтеза РНК. Такая бесклеточная ситуация создавала условия для очень быстрой эволюции: колонии РНК не были отгорожены от внешней среды и могли легко обмениваться своими молекулами — своим генетическим материалом. Таким путем могли образовываться смешанные колонии РНК с различными функциональными активностями. Такой ансамбль молекул РНК в виде смешанной колонии мог успешно существовать и расти, если он включал в себя лиганд-связывающие РНК для избирательной адсорбции и аккумуляции необходимых веществ из окружающей среды, набор рибозимов, катализирующих метаболические реакции для синтеза нуклеотидов и их активированных фосфорилированных производных, и рибозим, катализирующий комплементарную репликацию всех РНК колонии. Наиболее серьезным следствием компартментализации РНК в форме смешанных колоний было появление механизма естественного отбора: колонии с РНК, более активными и более подходящими друг другу функционально дополняющими друг друга , могли расти быстрее и тем самым «перерастать» другие колонии, вытеснять их. Таким образом, образование компартментализованных ансамблей функционально дополняющих друг друга РНК в качестве особей, способных расти и конкурировать друг с другом, представляется вероятным, даже в отсутствие окружающих их мембран или оболочек другого типа, и даже без четкой границы раздела.
Долгое время ученые ломали голову над вопросом, как могли возникнуть такие молекулы из более примитивных соединений. Исследование, опубликованное в журнале eLife, представляет собой модель, которая имитирует случайное разрушение простых РНК-молекул. В ходе экспериментов возникали короткие цепочки РНК, способные служить затравками для синтеза более длинных молекул. Этот процесс приводил к формированию большого количества копий исходного полимера, подобно процессу регенерации у червей, разделенных на части.
А чтобы синтезировать белки, нужна ДНК. Образуется замкнутый круг, который навел ученых на мысль, что первые организмы хранили генетическую информацию не в виде ДНК, а в виде РНК. РНК содержится в клетке и выполняет в ней разнообразные функции.
ELife: ученые обнаружили спонтанное возникновение самовоспроизводящихся молекул
рибозимов - в 1982-1983. Идея мира РНК была впервые высказана Карлом Вёзе в 1968 году, позже развита Лесли Орджелом и окончательно сформулирована Уолтером Гильбертом в 1986 году. ELife: обнаружено случайное возникновение самовоспроизводящихся молекул Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории опубликовали статью в журнале eLife, в которой сообщили об обнаружении новых доказательств гипотезы РНК-мира. Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии. Альтернативная гипотеза называется гипотезой первичного майонеза и говорит о том, что липиды, то есть вещества, образующие мембраны, были с самого начала и окружали молекулы РНК.
Кого Считать «Живым»?
- Содержание
- Японские ученые впервые доказали способность РНК эволюционировать
- Эффективный полимеразный рибозим подкрепил гипотезу мира РНК
- Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии
- Исследования по гипотезе РНК-мира: возникновение саморепликации
- Ученые предположили новое объяснение возникновения жизни на Земле | ИА Красная Весна
Ученые нашли новые доказательства РНК-мира
Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории опубликовали статью в журнале eLife, в которой сообщили об обнаружении новых доказательств гипотезы РНК-мира. 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 конце концов, был написан сценарий «Мир РНК», согласно которому сначала якобы образовалась РНК, содержащая информацию о белке, а затем и сам белок.
Учеными из США найдены новые доказательства РНК-мира
РНК также представляет собой единственный генетический материал некоторых вирусов, таких как ретровирусы , что доказывает, что только РНК может составлять геном. Эти и другие свидетельства, присутствующие в современных живых организмах, убедительно подтверждают идею о том, что РНК была последней самореплицирующейся молекулой до появления ДНК [13]. Хотя нуклеотиды не были идентифицированы в классическом эксперименте Миллера-Юрея , есть и другие эксперименты, такие как эксперимент Джоана Оро , которые подчеркивают их возможный автономный синтез в условиях окружающей среды, характерных для происхождения жизни. В последующем эксперименте в менее восстановительной атмосфере, чем у Юри, были получены нуклеотиды [14] , что еще больше укрепило гипотезу мира РНК. Эта гипотеза также подтверждается исследованиями очень простых рибозимов, таких как вирусные Q-бета РНК , которые продемонстрировали способность к самовоспроизведению даже под очень сильным селективным давлением. Фактически ультрафиолетовые лучи одновременно вызывают полимеризацию РНК и расщепление других типов органических молекул, потенциально способных катализировать деградацию РНК например, рибонуклеаз. Во всяком случае, это аспект, еще не подтвержденный экспериментальными наблюдениями. Противоположные аргументы Аргументы, противоречащие гипотезе, основаны на маловероятности спонтанного образования молекул РНК, а также на том, что цитозиновое основание недостаточно проверено в методах пребиотического тестирования, так как легко подвергается гидролизу. Пребиотические условия, необходимые для самопроизвольного образования трех элементов, составляющих нуклеотид, отличаются друг от друга. Азотистые основания образуются в средах, отличных от тех, которые необходимы для образования сахаров, присутствующих в скелете нуклеиновой кислоты. По этой причине было бы необходимо предположить спонтанный синтез двух классов молекул в разных средах с последующим их объединением.
Однако надо сказать, что в водной среде такое соединение маловероятно, так как азотистые основания и сахара в любом случае не способны реагировать. Третий элемент, фосфат , сам по себе крайне редко встречается в природных растворах, так как быстро выпадает в осадок. И даже если он присутствует, он должен сочетаться с нуклеозидом на правильном гидроксиле. Таким образом, чтобы встроиться в молекулу РНК, нуклеотид должен быть активирован за счет связывания двух других фосфатных групп с образованием, например, аденозинтрифосфата. Помимо всего этого, рибоза должна иметь правильную стереоизомерию , так как нуклеотиды, имеющие неправильную хиральность , выступают в роли терминаторов транскрипции. Фактически, он утверждал, что этот эксперимент не показал, что нуклеиновые кислоты были основой происхождения жизни, а просто показал, что эта гипотеза не была неправдоподобной.
Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории раскрывают новые доказательства гипотезы РНК-мира, согласно которой первые репликаторы на Земле были РНК-молекулами Источник фото: Фото редакции Опубликованная в журнале eLife статья описывает открытия, позволяющие понять, как могли возникнуть структуры способные к самовоспроизведению без участия белковых ферментов. Исследования показали, что рибозимы способны к самостоятельному образованию, при этом для их функционирования требуется лишь несколько консервативных оснований. Ученые разработали модели, имитирующие возможные пути эволюции предшественников РНК, лишенных каталитической активности.
По происхождению малые РНК можно разделить на экзогенные индуцируемые или кодируемые вирусами, либо введенные искусственно и эндогенные образующиеся при транскрипции собственных генов клетки.
Сигналом для инициации интерференции РНК служит появление в клетке экзогенной вирусной или введенной в ходе эксперимента либо эндогенной транскрибированной с собственных генов клетки дцРНК. Минимальный размер дцРНК, достаточный для индукции интерференции, - 26 п. Скорее всего, такое ограничение защищает от деградации собственную клеточную мРНК с короткими внутримолекулярными самокомплементарными структурами. Предполагают, что расщепление дцРНК у млекопитающих осуществляется последовательно с одного конца молекулы. В результате работы Dicerобразуются двухцепочечные siРНК длиной 20-25 п. Именно такая структура необходима для участия в последующих этапах процесса, приводящего к сайленсингу РНК. Следующие стадии интерференции - распознавание и фрагментация РНК-мишени. Очевидно, именно домен PIWI обусловливает эндонуклеазную активность всего комплекса. У растений и червей может происходить амплификация siРНК. У этих организмов интерференции РНК имеет системный эффект, как следствие передачи сигнала из клетки в клетку или его доставки во все ткани организма.
Такое явление называется системной супрессией. Передача дцРНК или siРНК у растений может происходить по цитоплазматическим мостикам из клетки в клетку или по системе сосудов. Эта реакция протекает с использованием энергии АТР. Такой модифицированный комплекс функционально активен. У растений и нематод существует механизм амплификации siРНК. Механизм интерференции РНК I. В стрессовые гранулы при стрессе включается не вся клеточная мРНК: часть ее продолжает сохранять диффузное распределение в цитоплазме. По-видимому, для инкорпорации мРНК в стрессовые гранулы не нужны какие-либо специфические сигнальные последовательности, поскольку репортерная мРНК, не несущая известных сигнальных последовательностей, включается в состав стрессовых гранул. Скорее всего, специфические сигнальные последовательности нужны для исключения РНК из стрессовых гранул. Возможно, что из стрессовых гранул выводятся как раз те РНК, трансляция которых необходима при стрессе.
В составе стрессовых гранул выявлены различные РНК-связывающие белки, связывающие как большинство цитоплазматических мРНК, так и специфические последовательности в определенных мРНК. Белок Staufen, входящий в состав транспортирующихся мРНП, входит и в состав стрессовых гранул в олигодендроцитах, вероятно, как «неспецифический» РНК-связывающий белок. Структурная основа стрессовых гранул не изучена, но весьма вероятно, что она состоит из прионоподобного конгломерата РНК-связывающего белка ТIА-1, обычно локализованного в ядре. Одной из первых адаптивных реакций при стрессовых воздействиях на эукариотическую клетку является изменение в системе трансляции. С одной стороны, происходит общее падение уровня синтеза белка в клетке, а с другой — активация трансляции некоторых видов мРНК. Образование стрессовых гранул происходит одновременно с общим снижением синтеза белка. В настоящий момент принято считать, что именно ингибирование синтеза белка на стадии инициации трансляции вызывает появление стрессовых гранул в цитоплазме. В случае окислительного стресса, вызванного арсенатом, образование стрессовых гранул зависит от ингибирования инициации трансляции за счет фосфорилирования фактора еIF2. В такой ситуации формируются неканонические инициаторные комплексы, которые не могут перейти к элонгации трансляции. Каков бы ни был механизм, запускающий образование стрессовых гранул, при стрессорном воздействии первоначально диффузное распределение мРНП сменяется на локализацию в отдельных точках цитоплазмы — стрессовых гранулах.
Для подобного изменения локализации необходимы значительные перемещения индивидуальных мРНП. При этом необходимо отметить, что размер мРНП достаточно велик и свободная диффузия частиц подобного размера в цитоплазме ограничена. Преодоление ограничения диффузии в клетке происходит за счет активного транспорта по цитоскелету — микротрубочкам или актиновым филаментам. Разрушение актиновых филаментов не ингибирует образование стрессовых гранул, в отличие от нарушения системы микротрубочек. Вызванная действием фармакологических агентов деполимеризация микротрубочек в клетке подавляет образование стрессовых гранул. Восстановление микротрубочек на фоне окислительного стресса вызывает возникновение в такой клетке стрессовых гранул. Скорее всего, роль микротрубочек в формировании стрессовых гранул заключается в активном транспорте мРНП. Стрессовые гранулы способны перемещаться по клетке, и их движение подавляется при разрушении микротрубочек. Компоненты стрессовых гранул обмениваются с цитоплазмой, и этот обмен также значительно замедляется после разборки микротрубочек. Таким образом, микротрубочки необходимы для пространственного перемещения компонентов стрессовых гранул поли А -связывающего белка, фактора eIF2, белка TIA-1.
Функции стрессовых гранул пока остаются непонятными. Можно предположить, что роль стрессовых гранул состоит в подавлении трансляции большинства матриц при избирательном отсутствии подавления трансляции определенных мРНК. Так, активно транслирующаяся при стрессе мРНК шаперона Нsp70 не включается в стрессовые гранулы. Синтез в клетках рекомбинантной укороченной формы белка ТIА-1, ингибирующей образование стрессовых гранул, одновременно усиливает трансляцию репортерной мРНК в клетках, подвергнутых стрессу. Стрессовые гранулы можно представить как «зал ожидания», в котором «пассажиры» - неполные инициаторные комплексы — терпеливо пережидают нелетную погоду. Ее уникальные свойства быть как носителем наследуемой информации, так и возможность образовывать сложные трехмерные структуры, обладающие каталитической активностью, определяют то, что первичной молекулой могла быть РНК. Таким образом, в одной молекуле заложены как генотип, так и фенотип. Спектр реакций, выполняемых ферментами РНК — рибозимами — очень широк, поэтому в последнее время ведутся очень активные поиски новых рибозимов, способных осуществлять другие типы реакций. Они служат катализаторами при расщеплении и сшивании других молекул РНК. У рибозимов есть интересная особенность: максимум их активности приходится на низкие температуры.
То есть они фактически обеспечивают низкотемпературный катализ. Первые рибозимы, обнаруженные Альтманом и Чеком в 1982-1983 гг, были не особенно эффективны: они лишь разрезали и соединяли отдельные фрагменты целых молекул РНК. Однако дальнейшие исследования продемонстрировали, что эти ферменты могут катализировать и другие реакции. Джек Шостак, экспериментируя с модифицированными рибозимами, сумел выделить катализатор, способный соединять друг с другом короткие цепочки нуклеотидов. При этом использовалась энергия трифосфатных химических групп — тех самых соединений, которые и сегодня обеспечивают энергией биохимические реакции. Это обстоятельство подтвердило идею, что рибозимы могут функционировать сходным образом с современными белковыми ферментами. У ряда видов примитивных эукариот Tetrahymena thermophila и др. Такие интроны встречаются также в генах рРНК митохондрий, хлоропластов, дрожжей и грибов, однако они не выявлены в генах позвоночных животных. Изучение процессинга 26S рРНК тетрахимены аналог 28S рРНК высших эукариот , выполненное Чеком и сотрудниками, привело к открытию особого вида сплайсинга, осуществляемого без участия каких-либо белков и получившего название аутосплайсинг сплайсинг типа I. Таким образом была открыта аутокаталитическая функция РНК и положено начало изучению рибозимов.
Таким образом в результате реакции трансэтерификации без дополнительных затрат энергии осуществляется лигирование двух экзонов с образованием зрелой 26S рРНК. Вырезанный интрон затем циклизуется. Из его состава путем двухэтапного ауторасщепления освобождается фрагмент, содержащий 19 нуклеотидов, в результате чего образуется РНК длиной 376 нуклеотидов L-19 IVS , которая и представляет собой истинный РНК-фермент рибозим , обладающий каталитическими свойствами. Этот рибозим обладает устойчивой структурой, имеет эндонуклеазную активность, расщепляя длинные одноцепочечные РНК. Схема аутосплайсинга у тетрахимены и процесс образования рибозима Оказалось также, что рибозим L-19 IVS помимо нуклеазной обладает invitro нуклеотидилтрансферазной полимеразной активностью и способен катализировать синтез олигонуклеотидов олиго-С. Это указывает на возможность аутокаталитической репликации РНК и является одним из важных свидетельств в пользу существования «мира РНК». В структуре интронов типа I выявлены характерные внутренние олигопуриновые последовательности у тетрахимены это последовательность GGАGGG , называемые адапторными последовательностями, которые участвуют в образовании активного центра РНК-ферментов и выполняют важнейшую роль в каталитическом расщеплении РНК. Детальные исследования природных РНК-ферментов послужили мощным стимулом к моделированию и синтезу рибозимов заданного строения. Такие рибозимы стали называть минизимами.
Но у Луизи были веские доводы. Клетка с внешними стенками, но без внутренностей, мало что может. Возможно, она могла бы делиться на дочерние клетки, но не передавала бы никакой информации о себе потомству. Она могла начать развиваться и становиться более сложной только при наличии некоторых генов. Вскоре эта идея обрела сильного сторонника в лице Джека Шостака, работу которого на тему «мира РНК» мы изучили в третьей части. Луизи был членом лагеря «сперва компартментализация», Шостак поддерживал «сперва генетику», и много лет они не встречались с глазу на глаз. Почти вся жизнь одноклеточная «Мы встречались на собраниях на тему происхождения жизни и затевали эти длинные дискуссии на тему того, что было важнее и что пришло первым», вспоминает Шостак. Мы пришли к общему мнению, что для возникновения жизни важно иметь и компартментализацию, и генетическую систему». В 2001 году Шостак и Луизи изложили свое видение этого единого подхода. В работе, опубликованной в Natire, они заявили, что должно быть возможность создать простую живую клетку с нуля, разместив реплицирующуюся РНК в обычной капле жира. Очень скоро Шостак решил полностью посвятить себя ей. Рассудив, что «мы не можем излагать эту теорию, ничем ее не подкрепив», он решил начать экспериментировать с протоклетками. Спустя два года Шостак и двое его коллег объявили о большом успехе. Везикулы — это простые контейнеры, состоящие из липидов Они экспериментировали с везикулами: сферическими каплями с двумя слоями жирных кислот на внешней стороне и центральным жидким ядром. Пытаясь найти способ ускорить создание везикул, они добавили малые частички глины под названием монтмориллонит. Везикулы начали формироваться в 100 раз быстрее. Поверхность глины выступили катализатором, как некий фермент. Более того, везикулы могли поглощать как частицы монтморрилонита, так и цепи РНК с поверхности глины. Теперь эти протоклетки уже содержали гены и катализатор, и все из одной простой добавки. Решение добавить монтмориллонит было принято не просто так. За несколько десятилетий много работ предположили, что монтмориллонит и подобные ему глины могли иметь важное значение для происхождения жизни. Кусок монтмориллонита Монтмориллонит — это обычная глина. В настоящее время она используется для самых разных дел, из нее даже кошачий наполнитель делают. Образуется она, когда вулканический пепел расщепляется погодой. Поскольку ранняя Земля изобиловала вулканами, кажется вероятным, что на ней было и много монтмориллонита. Еще в 1986 году химик Джеймс Феррис показал, что монтмориллонит выступает катализатором, который помогает формироваться органическим молекулам. Позже он обнаружил, что глина также ускоряет формирование малых РНК. Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий. И тогда Феррис предположил, что эта невзрачная глина могла быть местом зарождения жизни. Шостак принял эту идею и включил ее в работу, используя монтмориллонит для строительства своих протоклеток. Годом спустя Шостак обнаружил, что его протоклетки могут расти сами по себе. Чем больше молекул РНК оказывалось в протоклетке, тем выше было давление на наружную стенку. Похоже, желудок протоклетки был забит и она была готова сходить по-большому. Чтобы компенсировать это, протоклетка приняла больше жирных кислот и включила их в стенки, благодаря чему раздулась еще больше и ослабила напряжение. Что важно, она взяла жирные кислоты из других протоклеток, в которых было меньше РНК, заставив их сократиться. Будто бы протоклетки соперничали и та, у которой было больше РНК, побеждала. Но если протоклетки могут расти, может они и делиться могут? Сможет ли протоклетка Шостака воспроизвести себя? Клетки делятся на два Первые эксперименты Шостака показали, что способ деления протоклеток действительно есть. Если сжать ее в небольшом отверстии и вытянуть в трубочку, протоклетка разрывается, формируя «дочерние» протоклетки. Эта идея была неплохой, потому что в ней не участвовал никакой клеточный механизм: просто давление. Но такое решение было не самым лучшим, поскольку протоклетки теряли часть содержимого в этом процессе. Это также означало, что первые клетки могли делиться лишь проталкиваясь через крошечные отверстия. Существует множество способов заставить везикулы делиться. Например, можно добавить сильный поток воды. Осталось только заставить протоклетки делиться и не терять кишки. В 2009 году Шостак и его студент Тинг Чжу нашли решение. Они сделали немного более сложные протоклетки с наружными стенками в несколько слоев, напоминающие слои лука. Несмотря на такую сложность, эти протоклетки все еще было просто создать. Когда Чжу кормил их жирными кислотами, протоклетки росли и меняли форму, вытягиваясь в длинные канатоподобные цепочки. После того, как протоклетка становилась достаточно длинной, легкой приложенной силы достаточно, чтобы разбить ее на десятки мелких дочерних протоклеток. Более того, протоклетки могли повторять цикл постоянно, дочерние протоклетки росли и делились. Эту часть проблему, похоже, решили. В последующих экспериментах Чжу и Шостак нашли еще больше способов заставить протоклетки делиться. Но все равно протоклеткам многого недоставало. Чтобы показать, что его протоклетки могли быть первой жизнью на Земле, Шостаку нужно было заставить РНК внутри них воспроизводиться. В будущем мир ожидает спад рождаемости. Что это значит для человечества? Это было нелегко, поскольку, несмотря на десятилетия попыток — изложенных в третьей части, — никто так и не смог заставить РНК самовоспроизводиться. Эта же проблема загнала Шостака в угол в ходе его первых работ над «миром РНК», и никому другому не удалось ее решить. Поэтому он вернулся и перечитал работу Лесли Оргела, который так долго работал над гипотезой РНК-мира. В этих пыльных бумагах обнаружились ценные подсказки. Оргел провел много времени с 1970-х по 1980-е, изучая копирование цепей РНК. Первая клетка должна была вмещать химию жизни По сути все просто. Возьмите одну цепь РНК и набор свободных нуклеотидов. Затем, используя эти нуклеотиды, соберите вторую цепь РНК, комплементарную первой. Сделав это дважды, вы получите копию оригинальной «CGC», только окольным путем. Оргел обнаружил, что при определенных обстоятельствах цепи РНК могут копироваться таким образом без какой-либо помощи ферментов. Возможно, именно так первая жизнь создала копии своих генов. К 1987 году Оргел мог взять цепь РНК длиной в 14 нуклеотидов и создать дополняющие цепи длиной тоже в 14 нуклеотидов. Больше ему сделать не удалось, но этого было достаточно, чтобы заинтриговать Шостака. Его ученица Катажина Адамала попыталась запустить такую реакцию в протоклетках. Они обнаружили, что для работы такой реакции нужен магний. Но магний уничтожил протоклетки. Впрочем было и простое решение: цитрат, который почти идентичен лимонной кислоте и который присутствует во всех живых клетках. В исследовании, опубликованном в 2013 году, они добавили цитрат и обнаружили, что тот обволок магний, защищая протоклетки и позволяя шаблону продолжать копироваться. Другими словами, им удалось сделать то, что Луизи предлагал в 1994 году. Протоклетки Шостака могут жить в сильном тепле Всего за десять лет исследований команде Шостака удалось совершить невероятное. Они создали протоклетки, которые сохраняют свои гены, при этом забирая полезные молекулы снаружи. Эти протоклетки могут расти и делиться и даже соперничать между собой. РНК может воспроизводиться внутри них. С какой стороны ни посмотри, они были похожи на первую жизнь. Как собаки понимают человеческий язык? Еще они были весьма устойчивыми. В 2008 году группа Шостака обнаружила, что эти протоклетки могут переживать нагрев до 100 градусов по Цельсию, температуры, которая уничтожает большинство современных клеток. Следовательно, эти протоклетки были похожи на первую жизнь, которая должна была переживать сильное тепло от постоянных ударов метеоритов. Тем не менее, на первый взгляд, подход Шостака идет вразрез с 40 годами исследований происхождения жизни. Вместо того чтобы озадачиться «сперва воспроизводством» или «сперва компартментализацией», он решил делать оба дела сразу. Молекулы жизни ведут себя крайне сложно Это открывает путь к новому подходу к поиску происхождения жизни — единому, объединенному, унифицированному подходу. Он должен охватить все функции первой жизни сразу и одновременно. Эта гипотеза «сперва всё» уже насобирала достаточно свидетельств и может решить все проблемы существующих идей. Часть шестая: великое объединение На протяжении второй половины 20-го века исследователи происхождения жизни работали каждые в своем лагере. Каждая группа настаивала на собственной версии развития событий и старалась уничтожить конкурирующие гипотезы. Такой подход был безусловно успешным, о чем свидетельствуют предыдущие главы, но каждая перспективная идея о происхождении жизни в конечном счете наталкивалась на серьезную проблему. Так что некоторые исследователи сейчас пытаются найти более единый подход. Несколько лет назад эта идея получила мощный толчок, благодаря результату, поддерживающему устоявшуюся теорию «мира РНК». К 2009 году у сторонников мира РНК была большая проблема. Они не могли сделать нуклеотиды, строительные блоки РНК, как если бы это происходило в условиях ранней Земли. Это и привело людей к мысли, что первая жизнь вовсе не была построена на РНК, как мы выяснили в третьей части. Земля — единственное место, где есть жизнь. Пока Джон Сазерленд думал об этой проблеме с 1980-х. Большинство научно-исследовательских институтов заставляют своих сотрудников постоянно генерировать новые работы, но LMB нет. Поэтому Сазерленд мог хорошенько обдумать, почему сделать нуклеотид РНК так сложно, и провел годы, разрабатывая альтернативный подход. Его решение привело его к совершенно новой идее о происхождении жизни: все ключевые компоненты жизни могли сформироваться одновременно. Каждый нуклеотид РНК состоит из сахара, основания и фосфата. Но заставить сахар и основание соединиться оказалось невозможно. Молекулы просто не той формы. Поэтому Сазерленд начал пробовать совершенно другие вещества. В конечном счете его команда пришла к пяти простым молекулам, включая другой сахар и цианамид, родственный цианиду. Эти химические вещества пропустили через цепочку реакций и в конечном итоге сделали два из четырех нуклеотидов РНК, не делая отдельные сахара или основания. Это был ослепительный успех, который сделал Сазерленду имя. Многие наблюдатели интерпретировали эти результаты как еще одно доказательство в пользу мира РНК. Но сам Сазерленд так не считал. Но Сазерленд говорит, что это безнадежно оптимистично. Он считает, что РНК принимала важное участие, но на ней все клином не сходилось. Вместо этого он вдохновился одной из последних работ Шостака, которая как мы выяснили в пятой части совмещала РНК-мир «сперва воспроизводства» с идеями «сперва компартментализации» Пьера Луиджи Луизи. Сазерленд пошел еще дальше. Его подход представлял собой «сперва всё». Он хотел, чтобы цельная клетка собралась сама по себе с нуля. К этому его привела странная деталь в его синтезе нуклеотидов, которая сначала казалась случайной. Жизни нужна жирная смесь веществ Последним шагом в процессе Сазерленда было забросить фосфат в нуклеотид. Однако он выяснил, что лучше всего было включать фосфат в смесь с самого начала, поскольку он ускорял первые реакции. Казалось, что включение фосфата до того, как он понадобится на самом деле, было слегка «грязноватым» действием, но Сазерленд выяснил, что этот хаос — это хорошо. И так он задумался о том, насколько беспорядочными должны быть смеси. Во времена ранней Земли должны были существовать десятки или сотни химических веществ, плавающих вместе. Рецепт шлама? Но беспорядок может быть важным условием. Смеси, которые Стэнли Миллер приготовил в 1950-х годах, о которых мы говорили в первой части, были куда грязнее сазерлендовых. Они включали биологические молекулы, но Сазерленд говорит, что они «были в небольших количествах и сопровождались огромным количеством других, не биологических соединений». Что происходит с человеком после переедания? Сазерленд считал, что подход Миллера был недостаточно хорош. Он был слишком грязным, поэтому хорошие химические вещества просто терялись в смеси. Поэтому Сазерленд вознамерился найти «химию Златовласки»: не слишком грязную, чтобы стать бесполезной, но и не слишком простую, чтобы быть ограниченной в возможностях. Получить достаточно сложную смесь — и все компоненты жизни смогут сформироваться одновременно и найти друг друга. Другими словами, четыре миллиарда лет назад на Земле был пруд. Он существовал годами, пока в нем не собрались нужные химические вещества. Затем, возможно, за какие-нибудь пару минут появилась первая клетка. Горстки химвеществ недостаточно для жизни Это может показаться совершенно неправдоподобным, словно заявления средневековых алхимиков. Но у Сазерленда только прибавляется доказательств. В 2009 году он показал, что та же химия, которая позволила собрать два его нуклеотида РНК, также может создавать многие другие молекулы жизни. Очевидным следующим шагом было сделать больше нуклеотидов РНК. Пока этого сделать не удалось, но в 2010 году он собрал тесно связанные молекулы, которые потенциально могут превратиться в нуклеотиды. Точно так же, в 2013 году он сделал прекурсоры аминокислот. На этот раз ему пришлось добавить цианид меди, чтобы заставить реакцию протекать. Связанные с цианидом химические вещества оказались общей темой, и в 2015 году Сазерленд сделал с ними еще больше. Он показал, что в том же горшке с химическими веществами могут появиться и прекурсоры липидов, молекул, из которых состоят стенки клеток. Все эти реакции полагались на ультрафиолетовый свет, включали серу и медь как катализатор. Жизни нужен настоящий рог изобилия химвеществ «Все строительные блоки вышли из общего ядра химических реакций», говорит Шостак. Если Сазерленд прав, то весь наш подход к происхождению жизни за последние 40 лет был в корне неверным. С тех пор, как стала очевидной сложность клетки, ученые начали работать с предположением, что первые клетки должны были собираться постепенно, по частям. Вслед за предложением Лесли Оргела о том, что сначала появилась РНК, ученые пытались «поставить одно перед другим, а потом как-то получить порядок», говорит Сазерленд. Но он думает, что лучше всего — сделать все и сразу. Шостак теперь подозревает, что большинство попыток сделать молекулы жизни и собрать их в живые клетки провалились по одной причине: эксперименты были слишком чистыми. На каких животных охотились собаки 1000 лет назад? Ученые использовали несколько химических веществ, которые были им интересны, и оставляли все прочие, которые тоже, вероятно, присутствовали на ранней Земле. Но работа Сазерленда показала, что добавляя больше химических вещей в смесь, можно создать больше сложных явлений. Шостак и сам столкнулся с этим в 2005 году, когда пытался разместить фермент РНК в своих протоклетках. Ферменту нужен был магний, который уничтожал мембраны протоклеток. Решение оказалось на удивление простым. Вместо того чтобы делать везикулы из одной только жирной кислоты, их сделали из смеси обоих веществ. Новые, «грязные» везикулы справлялись с магнием и могли размещать работающие ферменты РНК. Более того, Шостак говорит, что первые гены тоже могли включать беспорядок. В 2012 году Шостак показал, что такая смесь может собираться в «мозаику» молекул, которая выглядит и ведет себя почти как чистая РНК. Мы не знаем, существовали они на Земле или нет, но если да, то первые организмы вполне могли использовать и их. Это уже был не «мир РНК», а «мир вперемешку». Урок этих исследований в том, что сделать первую клетку может быть было не так сложно, как кажется. Да, клетки — сложные машины. Но оказывается, что они продолжают работать, хоть и не так хорошо, если их слепить небрежно, как снежок. Кажется, что такие неуклюжие клетки не имели шансов выжить на ранней Земле. Но у них практически не было конкуренции, им не угрожали никакие хищники, поэтому во многих отношениях жизни было проще, чем сейчас. В юности Землю постоянно бомбардировали метеориты Однако существует одна проблема, которую не смогли решить Сазерленд или Шостак, и это серьезная проблема. Первый организм должен был иметь какой-то метаболизм, обмен веществ. С самого начала жизнь должна была получать энергию, либо умереть. В этом Сазерленд согласен с Майком Расселлом, Биллом Мартином и другими сторонниками теорий «сперва метаболизм» из четвертой части. Даже если Мартин и Расселл ошибаются на тему того, что жизнь началась у глубоководных источников, многие элементы их теории почти наверняка верны. Один из них — значение металлов для рождения жизни. У этого фермента в центре металл В природе у многих ферментов есть атом металла в ядре. Зачастую это «активная» часть фермента; остальная часть молекулы выступает поддерживающей структурой. Первая жизнь не могла иметь таких сложных ферментов, поэтому почти наверняка использовала «голые» металлы в качестве катализаторов. Гюнтер Вахтершаузер подметил это, когда предположил, что жизнь образовалась на основе железного пирита. Аналогичным образом, Расселл подчеркивал, что воды гидротермальных источников богаты металлами, которые могут выступать в качестве катализаторов — и исследование Мартина выявило множество ферментов на основе железа у последнего универсального общего предка LUCA. Какой рост был у самого высокого человека в мире? В свете этого имеет смысл, что многие химические реакции Сазерленда полагаются на медь и — как и подчеркивал Вахтершаузер — на серу , а РНК в протоклетках Шостака нуждается в магнии. Может быть и так, что гидротермальные источники окажутся вдруг важнейшими элементами головоломки. Это говорит в поддержку идеи возникновения жизни у жерл, где вода богата железом и серой. Но если Сазерленд и Шостак действительно находятся на верном пути, один аспект гидротермальной теории совершенно не имеет смысла: жизнь не могла появиться в глубоком море. Жизнь могла появиться на мелководье «Химия, к которой мы пришли, очень зависит от ультрафиолетового света», говорит Сазерленд. Единственным источником ультрафиолетового излучения является Солнце, поэтому его реакции могут протекать только в освещенных солнечных местах. Это исключает глубоководный сценарий. Шостак согласен: глубокие воды вряд ли были колыбелью жизни. Кроме того, они изолированы от атмосферной химии, которая является источником высокоэнергетических стартовых материалов вроде цианида. Все самые свежие новости из мира высоких технологий вы также можете найти в Google News. Но эти проблемы не исключают гидротермальную теорию полностью. Возможно, эти источники были на мелководье, купаясь в солнечном свете и цианидах.
Обнаружены новые доказательства РНК-мира
Альтернативная гипотеза называется гипотезой первичного майонеза и говорит о том, что липиды, то есть вещества, образующие мембраны, были с самого начала и окружали молекулы РНК. Исследования в рамках гипотезы «мира РНК» показали, что эти макромолекулы способны и к полноценной химической эволюции. “[Гипотеза мира РНК] была сведена ритуальным злоупотреблением к чему-то вроде креационистской мантры”, и. “[Гипотеза мира РНК] была сведена ритуальным злоупотреблением к чему-то вроде креационистской мантры”, и. Гипотеза мира РНК ставит РНК в центр внимания при зарождении жизни.
Новости компаний
- Получено экспериментальное подтверждение гипотезы РНК-мира
- Гипотеза мира РНК -
- Установлено, как первые формы жизни, возможно, упаковывали РНК
- Обнаружены новые доказательства РНК-мира – Новости
- РНК - мир. Сомнение в первичности.