Краткое изложение

В живых организмах практически все процессы происходят в основном благодаря ферментам белковой природы. Белки, однако, не могут самореплицироваться и синтезируются в клетке de novo на основании информации, заложенной в ДНК . Но и удвоение ДНК происходит только благодаря участию белков и РНК. Образуется замкнутый круг, из-за которого, в рамках теории самозарождения жизни приходилось признать необходимость не только абиогенного синтеза обоих классов молекул, но и спонтанного возникновения сложной системы их взаимосвязи.

Таким образом, РНК могли существовать полностью автономно, катализируя «метаболические» реакции, например, синтеза новых рибонуклеотидов и самовоспроизводясь, сохраняя из «поколения» в «поколение» каталитические свойства. Накопление случайных мутаций привело к появлению РНК, катализирующих синтез определённых белков, являющихся более эффективным катализатором, в связи с чем эти мутации закреплялись в ходе естественного отбора. С другой стороны возникли специализированные хранилища генетической информации - ДНК. РНК сохранилась между ними как посредник.

Роль РНК в современном мире

Следы мира РНК остались в современных живых клетках , причём РНК участвует в критически важных процессах жизнедеятельности клетки:

1. Основной носитель энергии в клетках - АТФ - это рибонуклеотид , а не дезоксирибонуклеотид .
2. Биосинтез белка почти целиком осуществляется с помощью различных видов РНК:
   • матричные РНК являются матрицей для синтеза белка в рибосомах ;
   • транспортные РНК доставляют аминокислоты к рибосомам и реализуют генетический код ;
   • рибосомная РНК составляет активный центр рибосом, катализирующий образование пептидной связи между аминокислотами.
3. Для репликации ДНК также критически важна РНК:
   • для начала процесса удвоения ДНК необходима РНК-«затравка» (праймер);
   • для бесконечного удвоения ДНК, не ограниченного пределом Хейфлика , в эукариотических клетках производится постоянное восстановление концевых участков хромосом (теломер) ферментом теломеразой , в состав которого входит РНК-матрица.
4. В процессе обратной транскрипции информация из РНК переписывается в ДНК.
5. В процессе созревания РНК используются различные РНК, не кодирующие белки , включая малые ядерные РНК , малые ядрышковые РНК .

После открытия каталитической активности РНК их эволюция без добавления репликазы наблюдалась в экспериментах Брайана Пегеля и Джеральда Джойса из Исследовательского института имени Скриппса в Калифорнии. 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. По этому признаку и происходил отбор молекул: наиболее быстро копирующиеся молекулы быстро начинали доминировать в среде. Затем часть их переносилась в новую среду, богатую субстратом, где это повторялось. 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, изучив основную составляющую рибосомы, молекулу 23S-рРНК, показали, каким образом из относительно небольших и простых рибозимов мог развиться механизм белкового синтеза. Молекула была подразделена на 60 относительно самостоятельных структурных блоков, основным из которых является каталитический центр (пептидил-трансферазный центр, PTC, peptidyl-transferase centre), ответственный за транспептидацию (синтеза белка). Было показано, что все эти блоки можно последовательно отсоединять от молекулы без разрушения её оставшейся части до тех пор, пока не останется один лишь транспептидационный центр. При этом он сохраняет способность катализировать транспептидацию. Если каждую связь между блоками молекулы представить в виде стрелки, направленной к тому блоку, который при отрыве разрушается, то такие стрелки не образуют ни одного замкнутого кольца. Если бы направление связей было случайным, вероятность этого составляла бы менее одной миллиардной. Следовательно, такой характер связей отражает последовательность постепенного добавления блоков в процессе эволюции молекулы, реконструированном исследователями. Таким образом, у истоков жизни мог стоять сравнительно простой рибозим - PTC-центр молекулы 23S-рРНК, к которому затем добавлялись новые блоки, совершенствуя процесс синтеза белка.

Свойства объектов мира РНК

О том, как выглядели самовоспроизводящиеся РНК системы, есть разные предположения. Чаще всего постулируется необходимость агрегирующих РНК мембран или размещения РНК на поверхности минералов и в поровом пространстве рыхлых пород. В 1990-е годы А. Б. Четвериным с сотрудниками была показана способность РНК формировать молекулярные колонии на гелях и твёрдых субстратах при создании им условий для репликации. Происходил свободный обмен молекулами, которые при столкновении могли обмениваться участками, что показано экспериментально. Вся совокупность колоний в связи с этим быстро эволюционировала .

После возникновения белкового синтеза колонии, умеющие создавать ферменты, развивались успешнее. Ещё более успешными стали колонии, сформировавшие более надёжный механизм хранения информации в ДНК и, наконец, отделившиеся от внешнего мира липидной мембраной, препятствующей рассеиванию своих молекул.

Пре-РНК миры

Другой гипотезой абиогенного синтеза РНК, призванной решить проблему низкой оценочной вероятности синтеза РНК, является гипотеза мира полиароматических углеводородов , предложенная в 2004 году и предполагающая синтез молекул РНК на основе стека из полиароматических колец.

Фактически, обе гипотезы «пре-РНК миров» не отвергают гипотезу мира РНК, а модифицируют её, постулируя первоначальный синтез реплицирующихся макромолекул РНК в первичных метаболических компартментах, либо на поверхности ассоциатов, отодвигая «мир РНК» на вторую стадию абиогенеза .

Примечания

Литература

• Григорович С. Вначале была РНК? В поисках молекулы первожизни // Наука и жизнь, № 2 (2004)
• Крицкий М. С., Телегина Т. А. Коферменты и эволюция мира РНК // Успехи биологической химии, т. 44, 2004, с. 341-364 pdf
• Спирин А. С. Рибонуклеиновые кислоты как центральное звено живой материи // Вестник РАН, том 73, № 2, с. 117-127 (2003)
• Спирин А. С. Биосинтез белков, мир РНК и происхождение жизни
• Чек Томас Р. РНК - фермент // В мире науки (русское издание Scientific American), 1987, № 1
• Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Эволюция клетки / Молекулярная биология клетки, в 3-х томах, 2-е издание, - М.: Мир, 1994.

Кандидат биологических наук С. ГРИГОРОВИЧ.

На самой ранней заре своей истории, когда человек приобрел разум, а с ним и способность к абстрактному мышлению, он стал пленником непреодолимой потребности все объяснить. Почему светят Солнце и Луна? Почему текут реки? Как устроен мир? Безусловно, одним из самых главных был вопрос о сути живого. Резкое отличие живого, растущего, от мертвого, неподвижного, слишком бросалось в глаза, чтобы его можно было проигнорировать.

Первый вирус, описанный Д. Ивановским в 1892 году, - вирус табачной мозаики. Благодаря этому открытию стало ясно, что существуют живые создания более примитивные, чем клетка.

Русский микробиолог Д. И. Ивановский (1864-1920), основоположник вирусологии.

В 1924 году А. И. Опарин (1894-1980) высказал предположение, что в атмосфере молодой Земли, состоявшей из водорода, метана, аммиака, углекислого газа и паров воды, могли синтезироваться аминокислоты, которые затем спонтанно соединились в белки.

Американский биолог Освальд Эвери убедительно продемонстрировал в опытах с бактериями, что именно нуклеиновые кислоты отвечают за передачу наследственных свойств.

Сравнительная структура РНК и ДНК.

Двумерная пространственная структура рибозима простейшего организма Tetrahymena.

Схематическое изображение рибосомы - молекулярной машины для синтеза белка.

Схема процесса "эволюции в пробирке" (селекс-метод).

Луи Пастер (1822-1895) первым обнаружил, что кристаллы одного и того же вещества - винной кислоты - могут иметь две зеркально-симметричные пространственные конфигурации.

В начале 1950-х годов Стенли Миллер из Чикагского университета (США) проделал первый эксперимент, моделирующий химические реакции, которые могли протекать в условиях молодой Земли.

Хиральные молекулы, например аминокислоты, зеркально симметричны, как левая и правая рука. Сам термин "хиральность" происходит от греческого слова "хирос" - рука.

Теория РНК-мира.

Наука и жизнь // Иллюстрации

На каждом этапе истории люди предлагали свое решение загадки появления жизни на нашей планете. Древние, не знавшие слова "наука", находили для неизвестного простое и доступное объяснение: "Все, что есть вокруг, было когда-то и кем-то создано". Так появились боги.

Со времен зарождения древних цивилизаций в Египте, Китае, затем и в колыбели современной науки - Греции, вплоть до Средних веков, основным методом познания мира служили наблюдения и мнения "авторитетов". Постоянные наблюдения однозначно свидетельствовали, что живое при соблюдении определенных условий появляется из неживого: комары и крокодилы - из болотной тины, мухи - из гниющей пищи, а мыши - из грязного белья, пересыпанного пшеницей. Важно лишь соблюсти определенную температуру и влажность.

Европейские "ученые" Средневековья, опираясь на религиозную догму о сотворении мира и непостижимости божественных замыслов, считали возможным спорить о зарождении жизни только в рамках Библии и религиозных писаний. Суть сотворенного Богом невозможно постичь, а можно лишь "уточнить", пользуясь сведениями из священных текстов или находясь под влиянием божественного вдохновения. Проверять гипотезы в то время считалось плохим тоном, и всякая попытка подвергнуть сомнению мнение святой церкви рассматривалась как дело небогоугодное, ересь и святотатство.

Познание жизни топталось на месте. Вершиной научной мысли в течение двух тысяч лет оставались достижения философов Древней Греции. Наиболее значимыми из них были Платон (428/427 - 347 гг. до н. э.) и его ученик Аристотель (384 - 322 гг. до н. э.). Платон в числе прочего предложил идею одушевления изначально неживой материи благодаря вселению в нее бессмертной нематериальной души - "психеи". Так появилась теория самозарождения живого из неживого.

Великое для науки слово "эксперимент" пришло с эпохой Возрождения. Две тысячи лет понадобились для того, чтобы человек решился усомниться в непреложности авторитетных утверждений ученых древности. Одним из первых смельчаков, известных нам, стал итальянский врач Франсиско Реди (1626 - 1698). Он провел чрезвычайно простой, но эффектный опыт: поместив в несколько сосудов по куску мяса, одни из них накрыл плотной тканью, другие - марлей, а третьи оставил открытыми. Тот факт, что личинки мух развивались только в открытых сосудах (на которые могли садиться мухи), но не в закрытых (к которым все же был доступ воздуха), резко противоречил верованиям сторонников Платона и Аристотеля о непостижимой жизненной силе, носящейся в воздухе и превращающей неживую материю в живую.

Этот и подобные ему опыты положили начало периоду ожесточенных сражений между двумя группами ученых: виталистами и механистами. Суть спора состояла в вопросе: "Может ли функционирование (и появление) живого быть объяснено физическими законами, применимы ми также и к неживой материи?" Виталисты отвечали на него отрицательно. "Клетка - только из клетки, все живое - только от живого!" Это положение, выдвинутое в середине XIX века, стало знаменем витализма. Самое парадоксальное в этом споре то, что даже сегодня, зная о "неживой" природе составляющих наш организм атомов и молекул и в общем согласившись с механистической точкой зрения, ученые не имеют экспериментального подтверждения возможности зарождения клеточной жизни из неодушевленной материи. Никому еще не удалось "составить" даже самую примитивную клетку из "неорганических", присутствующих вне живых организмов, "деталей". А значит, окончательную точку в этом эпохальном споре еще предстоит поставить.

Так как же могла возникнуть жизнь на Земле? Разделяя позиции механистов, легче всего конечно же представить, что жизнь сначала должна была возникнуть в какой-нибудь очень простой, примитивно устроенной форме. Но, несмотря на простоту строения, это все же должна быть Жизнь, то есть то, что обладает минимальным набором свойств, отличающих живое от неживого.

Каковы же они, эти критически важные для жизни свойства? Что, собственно, отличает живое от неживого?

До конца XIX века ученые были убеждены, что все живое построено из клеток, и это является самым очевидным отличием его от неживой материи. Так считали до открытия вирусов, которые, хотя и меньше всех известных клеток, могут активно заражать другие организмы, размножаться в них и производить потомство, обладающее такими же (или очень похожими) биологическими свойствами. Первый из обнаруженных вирусов, вирус табачной мозаики, описан русским ученым Дмитрием Ивановским (1864-1920) в 1892 году. С той поры стало ясно, что более примитивные создания, чем клетки, могут также претендовать на право называться Жизнью.

Открытие вирусов, а затем и еще более примитивных форм живого - вироидов позволило в итоге сформулировать минимальный набор свойств, которые необходимы и достаточны, чтобы исследуемый объект можно было назвать живым. Во-первых, он должен быть способен к воспроизводству себе подобных. Это, однако, не единственное условие. Если бы гипотетическая первородная субстанция жизни (например, примитивная клетка или молекула) была способна лишь просто производить свои точные копии, она в итоге не смогла бы выжить в меняющихся условиях окружающей среды на молодой Земле и образование других, более сложных форм (эволюция) стало бы невозможным. Следовательно, нашу предполагаемую примитивную "субстанцию первожизни" можно определить как нечто, устроенное максимально просто, но при этом способное изменяться и передавать свои свойства потомкам.

Мир РНК: вчера и сегодня

Долгое время считали, что рибонуклеиновая кислота (РНК), ближайшая «родственница» знаменитой ДНК, выполняет в организме служебные функции, являясь лишь посредником в сложнейших внутриклеточных процессах. И хотя признавалось, что на ранних этапах эволюции жизни РНК могла играть главенствующую роль, но казалось очевидным, что она давно уступила первенство более специализированным молекулам – катализаторам и носителям информации. Однако открытие множества регуляторных РНК, связанных с феноменом некодирующего «темнового генома», буквально перевернуло представления о современном «мире РНК» и послужило толчком к поиску и созданию новых диагностических и лекарственных средств

Классический взгляд на процесс реализации наследственной информации в живой клетке сформировался еще в начале второй половины XX в. Согласно нему, вся наследственная информация, определяющая жизнь организма, закодирована в виде последовательности нуклеотидов в особом биополимере – дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК). «Размножение» и передача этой информации происходит путем удвоения молекул ДНК с участием специальных белков-ферментов.

Когда участок ДНК, в котором содержится информация о строении того или иного белка, – ген – начинает «работать», с него с помощью специальных ферментов считывается «промежуточная» информация в виде молекул рибонуклеиновой кислоты (РНК). Нуклеотидная последовательность этой РНК служит «программой»-матрицей для особых молекулярных машин – рибосом , которые приступают к синтезу соответствующего белка

В этой схеме преобразования генетического кода в конечный «полезный продукт» центральным элементом является ДНК. Была даже сформулирована «центральная догма молекулярной биологии», гласившая, что поток информации в живой клетке идет по направлению от ДНК к РНК и далее к белку, и только в этом направлении: синтезировать ДНК или РНК, соответствующую определенному белку, клетка не умеет. Неудивительно, что увлекательная книга молекулярного биолога М. Д. Франк-Каменецкого «Самая главная молекула», вышедшая в 1983 г., была посвящена именно ДНК.

Важная роль отводилась также белкам, как главным строительным «кирпичикам» и, в первую очередь, катализаторам, способным в условиях живой клетки опосредовать самые разные биохимические реакции и процессы. РНК же представлялась скорее «рабочей» молекулой, расходным материалом белкового синтеза. Конечно, помимо матричной РНК были известны и транспортные РНК, переносящие аминокислоты на рибосомы, а также РНК в составе рибосомного каркаса, однако и им отводилась роль скромных «золушек».

Со временем стали накапливаться наблюдения, которые заставляли задуматься: а так ли просто все устроено в геноме? К примеру, оказалось, что у некоторых вирусов наследственная информация зашифрована не в ДНК, а в РНК, и они способны синтезировать ДНК по «матрице» РНК при встраивании своего генетического материала в геном клетки-хозяина. Однако несмотря на отдельные противоречия, взгляды на природу и роль важнейших биополимеров, вошедшие во все школьные учебники, десятилетиями оставались незыблемыми.

Между тем, невзирая на трудности экспериментов с РНК, молекулы которой менее стабильны, чем ДНК и белков, исследователи продолжали упорно изучать эти «немодные» биополимеры. И в конце XX в. классические научные представления начали рушиться под напором новых поразительных открытий.

Жизнь начиналась с РНК

После расшифровки генома человека и других высокоорганизованных животных оказалось, что большая часть ДНК не содержит генов, кодирующих белки. (К слову, когда сравнили геномы различных млекопитающих, оказалось, что по набору генов «царь природы» немногим отличается от той же мыши.) В геноме человека длиной около трех миллиардов пар нуклеотидов ожидали обнаружить более 100 тыс. генов, но их оказалось по крайней мере в три раза меньше! Причем в это число входят все гены, кодирующие белки, а также гены рибосомных и транспортных РНК. Вместе с известными на то время регуляторными последовательностями все эти гены занимают не более 1,5 % геномной ДНК. А что же остальная часть?

С полным пренебрежением к непонятному такую некодирующую ДНК – так называемый темновой геном – стали считать «мусором», накопившимся в процессе эволюции. И хотя впоследствии было обнаружено, что с участков «мусорной» ДНК все же считывается какая-то информация и синтезируется огромное количество РНК, это явление было оценено как «транскрипционный шум».

Самым удивительным открытием стал тот факт, что белки не являются монополистами в умении катализировать биологические реакции. Так, в ядре клетки обнаружился набор небольших РНК, которые при участии белков обеспечивают процесс созревания матричной РНК. Дело в том, что с гена считывается длинная РНК, которую необходимо нарезать на фрагменты и затем определенным образом «сшить», чтобы получилась нужная программа. Правильность этой «сшивки» и обеспечивают специальные РНК.

Был открыт и каталитически активный РНК-белковый комплекс теломераза , благодаря которому происходит синтез концевых участков хромосом. Оказалось, что в рибосоме РНК также выполняет не только структурную роль – из нее построен сам каталитический центр! Таким образом, все ключевые функции в процессе белкового синтеза принадлежат молекулам РНК.

Выяснилось, что РНК, подобно белкам, могут формировать компакт­ные структуры, способные к высокоспецифичному взаимодействию практически с любыми маленькими и большими молекулами. РНК-катализаторы были найдены в природе, их используют как вирусы, так и клетки высших организмов. А вскоре самые различные каталитические РНК научились получать искусственным путем.

Факты упрямо указывали на первенство РНК как биологической молекулы. Да, ДНК является стабильным хранителем информации, но не может функционировать без помощи белков. Белки – эффективные катализаторы, но на роль носителей информации принципиально не годятся. А вот РНК оказалась именно такой универсальной, многофункциональной молекулой, какой и должна быть «прародительница».

Стало ясно, что именно из простых РНК-содержащих систем произошел современный биологический мир. Но куда же делся этот «мир РНК», когда на смену пришли более специализированные молекулы? Не являются ли сегодня РНК своего рода «молекулярными окаменелостями», имеющими хотя и важное, но ограниченное значение? Еще совсем недавно ответ на эти вопросы сомнений не вызывал.

Тридцать лет спустя

В 1997 г. в Германии состоялась конференция, посвященная исследованиям РНК. Ей предстояло подвести итог масштабной программы исследований РНК: все, что касалось этих биополимеров, представлялось на тот момент ясным и понятным. В этой атмосфере настоящим «взрывом бомбы» прозвучал доклад об открытии РНК-интерференции – ранее неизвестного механизма регуляции функционирования генов с помощью специальных малых РНК.

Вообще-то удивительно, что обнаружение этого довольно очевидного механизма потребовало так много времени. Ведь теоретически было давно известно, что остановить работу целевой генетической программы, т. е. «заблокировать» конкретную нуклеиновую кислоту, можно путем присоединения к ней небольшого комплементарного фрагмента РНК или ДНК, достаточного по размеру, чтобы обеспечить избирательность действия.

Именно такой способ избирательного регулирования функций нуклеиновых кислот был впервые предложен еще в 1960-х гг. новосибирским исследователем Н. И. Гриневой и ее коллегами, работавшими под руководством будущего академика РАН Д. Г. Кнорре. Ученые справедливо решили, что лучший способ направленно воздействовать на гены – использовать так называемые антисмысловые олигонуклеотиды, т.е. короткие комплементарные фрагменты ДНК или РНК (Belikova et al. , 1967).

И вот десятилетия спустя было доказано, что этот механизм направленного воздействия на генетический материал функционирует в живых системах при регуляции экспрессии генов. Это тот редкий случай в истории науки, когда явление сначала было описано теоретически, затем его схема реализована в эксперименте и лишь десятилетия спустя оно обнаружено в природе.

Забегая вперед, нужно отметить, что своими работами сибирские ученые открыли новое направление прикладной молекулярной биологии, которое сегодня бурно развивается во всем мире. Уже получены первые фармацевтические препараты на основе интерферирующих микроРНК, а в будущем ожидается создание широчайшего спектра лекарств, в том числе и для избирательной инактивации уже самих микроРНК (такие ингибиторы даже получили специальное название – «анти-мир») и других некодирующих РНК.

На той же конференции 1997 г. было заявлено об обнаружении в клетках мозга и других органов множества разнообразных некодирующих РНК, концентрации которых меняются в зависимости от состояния организма. Стало очевидно, что речь должна идти не о свертывании, а о расширении дальнейших исследований РНК.

Сокровища «мусорной» ДНК

Очень скоро были получены данные о чрезвычайно широком распространении РНК-интерференции в природе и начаты работы по практическому использованию интерферирующих РНК для создания терапевтических препаратов и генетически модифицированных организмов.

Более того, было показано, что в организме синтезируется огромное число – тысячи видов – некодирующих РНК, информация о которых содержалась в той самой якобы ненужной «мусорной ДНК». Были обнаружены микроРНК-регуляторы активности генов, макроРНК, выполняющие различные регуляторные функции, а также множество других РНК с пока неизвестными функциями. Удивительно, что многие РНК находятся не только в клетках тканей, но и в крови, и способны «путешествовать» по организму.

Длинные некодирующие РНК пока что относительно мало изучены, и механизм их действия установлен лишь в некоторых случаях. Исследователи склоняются к заключению, что такие РНК играют роль организаторов сложных функциональных структур, включающих различные биомолекулы. Молекула РНК идеально подходит на подобную роль: она может содержать в себе различные модули, которые способны связываться как с конкретными белками, так и с участками ДНК. Такие РНК-модули могут располагаться определенным образом относительно друг друга, благодаря чему появляется возможность создавать супрамолекулярные ансамбли любой степени сложности. Самый наглядный пример такой структуры – рибосома.

Таким образом, именно благодаря РНК создаются основные структуры клетки, делающие ее «живой». Длинные некодирующие РНК управляют также работой генетического аппарата клетки. Они включают и выключают работу целых областей хромосомы, определяя точки специфической модификации хромосомных белков.

С состоянием организма тесно связаны и концентрации разнообразных микроРНК в органах и тканях. Эти РНК, участвуя в регуляции активности огромного числа генов, воздействуют на важнейшие физиологические и метаболические процессы, протекающие в отдельной клетке и в организме в целом.

Например, с помощью определенного набора микро­РНК можно изменить степень клеточной дифференциации – получить из специализированных клеток недифференцированные стволовые либо, напротив, управлять дифференциацией стволовых клеток в нужном направлении. Доказано, что с помощью микроРНК регулируется дифференциация клеток жировой ткани, метаболизм липидов, секреция инсулина и других гормонов и т. д.

Судя по последним данным, в сферу «юрисдикции» РНК попадает свыше 60 % всех генов. Фактически, именно микроРНК «руководят» развитием целых органов и организма в целом, запуская одни процессы и останавливая другие по соответ­ствующим «биологическим часам».

В составе специальных транспортных мембранных структур, таких как экзосомы , микроРНК могут передаваться не только между тканями и органами одного организма, но даже между организмами. Например, в молоке матери содержатся экзосомы с микроРНК, которые играют важную роль в становлении иммунной системы ребенка, причем уровень их секреции особенно высок в первые шесть месяцев лактации (Kosaka et al. , 2010).

Неудивительно, что интерес к таким транспортным структурам и составу переносимых ими микро- и других некодирующих РНК сегодня крайне высок, и недавно начатые исследования были подхвачены тысячами ученых из разных стран. Было даже организовано международное общество по внеклеточным везикулам, а в апреле 2012 г. в Швеции состоялась первая конференция по этой тематике, где было объявлено о создании специализированного журнала.

Точки приложения

Итак, некодирующие РНК являются главными регуляторами, управляющими функциями генов и целых генетических ансамблей, при этом число известных некодирующих РНК постоянно растет. На их концентрацию и соотношение влияют и протекающие в организме патологические процессы (например, опухолевые). Отсюда очевидна перспективность применения методов количественного анализа некодирующей РНК для целей медицинской диагностики. А подавление активности РНК, ассоциированной с развитием болезни, должно стать новым подходом в терапии.

Сегодня известно, что с помощью определенных микро­РНК можно блокировать развитие рака предстательной и молочной желез (Tavazoie et al. , 2008). МикроРНК рассматриваются и в качестве потенциальных лечебных средств в терапии сердечно-сосудистых заболеваний (Latronico & Condorelli, 2009). Ведутся клинические исследования экзосом, содержащих микроРНК, которые циркулируют в крови при меланомах и различных формах рака легких (Rabinowits et al. , 2009).

Подобные исследования активно ведутся и в Сибирском отделении РАН. Благодаря разработанной в Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН оригинальной методике высокопроизводительного секвенирования РНК появилась возможность быстро и точно получать информацию о профиле микроРНК в различных клинических образцах. Уже опубликованы данные о спектрах микроРНК здоровых людей (Semenov et al. , 2012), ведется работа по определению соответствующих РНК-профилей при различных патологиях.

В ИХБФМ получены и обнадеживающие экспериментальные данные о возможности проведения противо­опухолевой и антиметастатической терапии ферментом РНКазой А, который влияет на концентрацию и спектр опухолевых микроРНК в клетках и сыворотке крови больных животных (Mironova et al. , 2012).

Исследованиями микроРНК с целью развития диагностических методов занимаются и в недавно организованном Институте молекулярной и клеточной биологии СО РАН (Новосибирск). Например, там был изучен профиль экспрессии некоторых микроРНК при различных опухолях щитовидной железы.

Детальное изучение свойств РНК подтолкнуло исследователей к созданию новых технологий, обещающих принести огромную пользу человечеству уже в ближайшем будущем. Речь идет о широко известной технологии SELEX, позволяющей получать молекулы РНК с заданными свойствами – аптамеры , которые способны селективно и прочно связываться с молекулой-мишенью. Суть аптамерной технологии в том, что сначала химико-ферментативными методами создаются так называемые РНК-библиотеки случайных последовательностей, содержащие огромное множество разнообразных молекул РНК. Затем из этого множе­ства методами молекулярной селекции по способности специфично взаимодействовать с целевой молекулой отбирают аптамеры и нарабатывают их в нужном количестве, хотя искомая РНК может быть представлена в составе библиотеки единственной молекулой.

Сегодня в качестве аптамеров и терапевтических средств используется не только РНК с обычной «природной» структурой: с помощью различных химических модификаций можно получить молекулы, устойчивые к действию разрушающих РНК ферментов, которых много в биологических средах. Такие «искусственные» РНК имеют большие перспективы в диагностике заболеваний: например, можно получить РНК-аптамеры к молекулам – маркерам заболеваний и на их основе создать биосенсоры, обладающие уникальной чув­ствительностью.

Сочетание основанных на РНК биоаналитических подходов к диагностике заболеваний с новыми -терапевтическими средствами на основе микроРНК и некодирующих РНК в ближайшем будущем должно привести к новому прорыву в медицине.

С каждым годом исследователи открывают все новые и новые грани удивительного «мира РНК». Высокопроизводительные технологии секвенирования нуклеиновых кислот позволили обнаружить в клетках и крови огромное множество разнообразных РНК, среди которых оказа­лись транскрипты тех участков ДНК, которые ранее считались «молчащими».

В результате в конце XX в. удалось открыть природный механизм огромной значимости, управляющий работой клеточного генома, который задолго до этого события был предвосхищен сибирскими учеными в идее «антисмысловых нуклеотидов».

Раскрытие многих тайн «мира РНК», который долгое время скрывался от исследователей за ширмой более узкоспециализированных молекул, белков и ДНК, приблизило нас к пониманию фундаментальных вопросов происхождения жизни. И более того: этот мир РНК, претворившийся в новые перспективные биомедицинские технологии, постепенно становится частью повседневной жизни человечества.

Литература

Власов В. В., Власов А. В. Жизнь начиналась с РНК // НАУКА из первых рук. 2004. № 2 (3). C. 6-19.

Власов А. В. Эволюция в пробирке // НАУКА из первых рук. 2006. № 1 (7). С. 50-59.

Власов В. В. Лекарство для генов // НАУКА из первых рук. 2007. № 2 (14). С. 56-59.

Карпова Г. Г., Грайфер Д. М., Малыгин А. А. Рибосома – минифабрика по производству белков // НАУКА из первых рук. 2006. № 6 (12). С. 46-53.

Франк-Каменецкий М. Д. Самая главная молекула, Москва: Наука, 1983.

Черноловская Е. Л. РНК-интерференция: клин клином… // НАУКА из первых рук. 2008. № 1 (19). С. 54-59.

Knorre D. G., Vlassov V. V., Zarytova V. F. et al. Design and targeted reactions of oligonucleotide derivatives, Boca Raton, CRC Press, 1994.

Vlassov V. V., Pyshnyi D. V., Vorobjev P. E. Nucleic acids: structures, functions, and applications. In Handbook of nucleic acids purification, Ed. D. Liu, Boca Raton, CRC Press, 2009.

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

Краткое изложение

В живых организмах практически всœе процессы происходят в основном благодаря ферментам белковой природы. Белки, однако, не могут самореплицироваться и синтезируются в клетке de novo на основании информации, заложенной в ДНК. Но и удвоение ДНК происходит только благодаря участию белков и РНК. Образуется замкнутый круг, из-за которого, в рамках теории самозарождения жизни приходилось признать крайне важно сть не только абиогенного синтеза обоих классов молекул, но и спонтанного возникновения сложной системы их взаимосвязи.

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

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, РНК могли существовать полностью автономно, катализируя ʼʼметаболическиеʼʼ реакции, к примеру, синтеза новых рибонуклеотидов и самовоспроизводясь, сохраняя из ʼʼпоколенияʼʼ в ʼʼпоколениеʼʼ каталитические свойства. Накопление случайных мутаций привело к появлению РНК, катализирующих синтез определённых белков, являющихся более эффективным катализатором, в связи с чем эти мутации закреплялись в ходе естественного отбора. С другой стороны возникли специализированные хранилища генетической информации - ДНК. РНК сохранилась между ними как посредник.

Роль РНК в современном мире

Следы мира РНК остались в современных живых клетках, причём РНК участвует в критически важных процессах жизнедеятельности клетки:

1) Основной носитель энергии в клетках - АТФ - это рибонуклеотид, а не дезоксирибонуклеотид.

2) Биосинтез белка почти целиком осуществляется с помощью различных видов РНК:

· матричные РНК являются матрицей для синтеза белка в рибосомах;

· транспортные РНК доставляют аминокислоты к рибосомам и реализуют генетический код;

· рибосомная РНК составляет активный центр рибосом, катализирующий образование пептидной связи между аминокислотами.

3) Для репликации ДНК также критически важна РНК:

· для начала процесса удвоения ДНК необходима РНК-ʼʼзатравкаʼʼ (праймер);

· для бесконечного удвоения ДНК, не ограниченного пределом Хейфлика, в эукариотических клетках производится постоянное восстановление концевых участков хромосом (теломер) ферментом теломеразой, в состав которого входит РНК-матрица.

4) В процессе обратной транскрипции информация из РНК переписывается в ДНК.

5) В процессе созревания РНК используются различные РНК, не кодирующие белки, включая малые ядерные РНК, малые ядрышковые РНК.

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

Абиогенный синтез РНК

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

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

Эволюция РНК

Способность молекул РНК к эволюции была наглядно продемонстрирована в ряде экспериментов. Ещё до открытия каталитической активности РНК такие эксперименты проводили Лесли Оргел с коллегами в Калифорнии. Οʜᴎ добавляли к пробирке с РНК яд – бромид этидия, ингибирующий синтез РНК. Сначала темп синтеза был замедлен ядом, но примерно после девяти ʼʼпробирочных поколенийʼʼ 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, т.к. поколения сменялись и внутри каждой пробирки). Хотя в данном 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. Он обнаружил спонтанное самозарождение молекулы РНК в пробирке с субстратом и РНК-репликазой. Она была создана постепенно нарастающей эволюцией.

После открытия каталитической активности РНК (рибозимов) их эволюция в автоматизированном устройстве под управлением компьютера наблюдалась в экспериментах Брайана Пегеля и Джеральда Джойса из Исследовательского института имени Скриппса в Калифорнии в 2008 году. Фактором, играющим роль давления отбора, являлась ограниченность субстрата͵ куда входили олигонуклеотиды, которые рибозим распознавал и присоединял к себе, и нуклеотиды для синтеза РНК и ДНК. При построении копий иногда случались дефекты - мутации - влияющие на их каталитическую активность (для ускорения процесса несколько раз смесь подвергалась мутированию с помощью полимеразной цепной реакции с использованием "неточных" полимераз). По этому признаку и происходил отбор молекул: наиболее быстро копирующиеся молекулы быстро начинали доминировать в среде. Далее 90% смеси удалялось, а вместо этого добавлялась свежая смесь с субстратом и ферментами, и цикл повторялся снова. За 3 суток каталитическая активность молекул за счёт всœего 11 мутаций увеличилась в 90 раз.

Эти эксперименты доказывают, что первым молекулам РНК не нужно было обладать достаточно хорошими каталитическими свойствами. Οʜᴎ 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. Молекула была подразделœена на 60 относительно самостоятельных структурных блоков, основным из которых является каталитический центр (пептидил-трансферазный центр, PTC, peptidyl-transferase centre), ответственный за транспептидацию (образование пептидной связи). Было показано, что всœе эти блоки можно последовательно отсоединять от молекулы без разрушения её оставшейся части до тех пор, пока не останется один лишь транспептидационный центр.
Размещено на реф.рф
При этом он сохраняет способность катализировать транспептидацию. В случае если каждую связь между блоками молекулы представить в виде стрелки, направленной от того блока, который при отрыве не разрушается, к тому блоку, который разрушается, то такие стрелки не образуют ни одного замкнутого кольца. В случае если бы направление связей было случайным, вероятность этого составляла бы менее одной миллиардной. Следовательно, такой характер связей отражает последовательность постепенного добавления блоков в процессе эволюции молекулы, который исследователям удалось детально реконструировать. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, у истоков жизни мог стоять сравнительно простой рибозим - PTC-центр молекулы 23S-рРНК, к которому затем добавлялись новые блоки, совершенствуя процесс синтеза белка. Сам PTC состоит из двух симметричных лопастей, каждая из которых удерживает CCA"-хвостик одной молекулы тРНК. Предполагается, что такая структура возникла в результате дупликации (удвоения) одной исходной лопасти. Методом искусственной эволюции были получены функциональные РНК (рибозимы), способные катализировать транспептидацию. Структура этих искусственно выведенных рибозимов очень близка к структуре той проторибосомы, которую ʼʼвычислилиʼʼ авторы.

Свойства объектов мира РНК

О том, как выглядели самовоспроизводящиеся РНК системы, есть разные предположения. Чаще всœего постулируется крайне важно сть агрегирующих РНК мембран или размещения РНК на поверхности минœералов и в поровом пространстве рыхлых пород. В 1990-е годы А. Б. Четвериным с сотрудниками была показана способность РНК формировать молекулярные колонии на гелях и твёрдых субстратах при создании им условий для репликации. Происходил свободный обмен молекулами, которые при столкновении могли обмениваться участками, что показано экспериментально. Вся совокупность колоний в связи с этим быстро эволюционировала.

После возникновения белкового синтеза колонии, умеющие создавать ферменты, развивались успешнее. Ещё более успешными стали колонии, сформировавшие более надёжный механизм хранения информации в ДНК и, наконец, отделившиеся от внешнего мира липидной мембраной, препятствующей рассеиванию своих молекул.

Пре-РНК миры

Биохимик Р. Шапиро критикует гипотезу РНК-мира, считая, что вероятность спонтанного возникновения РНК, обладающей каталитическими свойствами, очень низка. Взамен гипотезы ʼʼвначале была РНКʼʼ, он предлагает гипотезу ʼʼвначале был метаболизмʼʼ, то есть возникновение комплексов химических реакций - аналогов метаболических циклов - с участием низкомолекулярных соединœений, протекающих внутри компартментов - пространственно ограниченных самопроизвольно образовавшимися мембранами или иными границами раздела фаз - областей. Эта концепция близка к коацерватной гипотезе абиогенеза, предложенной А. И. Опариным в 1924 году.

Другой гипотезой абиогенного синтеза РНК, призванной решить проблему низкой оценочной вероятности синтеза РНК, является гипотеза мира полиароматических углеводородов, предложенная в 2004 году и предполагающая синтез молекул РНК на базе стека из полиароматических колец.

Фактически, обе гипотезы ʼʼпре-РНК мировʼʼ не отвергают гипотезу мира РНК, а модифицируют её, постулируя первоначальный синтез реплицирующихся макромолекул РНК в первичных метаболических компартментах, либо на поверхности ассоциатов, отодвигая ʼʼмир РНКʼʼ на вторую стадию абиогенеза.

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

Центральную догму биологии, сформулированную Фрэнсисом Криком в конце 1950-х, изучают в классическом виде: ДНК → РНК → белок. Но данных достаточно, чтобы усомниться в буквальном понимании этого главного принципа жизни.

Последний пример: в июньской публикации Scientific Reports российские ученые из Института биоорганической химии и Федерального научно-клинического центра физико-химической медицины показали, что разнообразие изоформ белков в клетках значительно меньше теоретически возможного. Журналисты поспешили сообщить, что меняется представление о центральной догме молекулярной биологии. Однако догма меняется уже 70 лет, потому что исходно была всего лишь гипотезой. Словом «догма» ее создатель Крик назвал потому, что нравилось это слово! Важно другое: как и почему меняется главная гипотеза молекулярной биологии.

Слишком много РНК

Генетическая информация считывается с кодирующих последовательностей генома, представленных генами. Только малая часть генома эукариот (растения, животные, грибы) содержит гены, а основная часть представлена протяженными нуклеотидными последовательностями с малоизученными функциями. В геноме человека только четверть покрыта генами и только 1% последовательностей ДНК кодирует информацию, записываемую в функциональных молекулах РНК (часть догмы «ДНК → РНК»). То есть 1% геномной ДНК содержит информацию обо всех молекулах РНК. Зачем нужны оставшиеся 99%?

В последние годы стало понятно, что межгенные участки ДНК несут в себе регуляторную функцию: в них заложены системы и элементы, обеспечивающие тонкую настройку работы генов, их включение или выключение в определенных тканях организма или на конкретных стадиях развития. С такими элементами связываются различные комплексы, которые содержат молекулы регуляторных белков и РНК. Уже на этом уровне очевидно, что модель «ДНК → РНК → белок» полноценно не работает, так как основная масса ДНК не дает начала РНК, а несет другие функции.

Часть генов кодирует РНК с регуляторными функциями. Эти РНК не содержат информации о последовательности белка, а преимущественно организуют синтез белка в клетке. Основная часть таких РНК - компоненты рибосом (рибосомальные РНК), комплексы, осуществляющие трансляцию, а также молекулы-переносчики аминокислот (транспортные РНК), необходимые участникам процесса синтеза белка на матрице РНК (трансляции). 90% всей РНК клетки относится к перечисленным типам.

Среди оставшихся 10% молекул РНК представлены все белок-кодирующие РНК, но даже среди этих РНК найдены некодирующие молекулы, в частности, малые ядерные РНК. Эти РНК - необходимые компоненты комплекса сплайсинга. Сплайсинг - процесс удаления из первичной молекулы РНК некодирующих участков (интронов) и последовательного соединения кодирующих (экзонов); в итоге получается матричная РНК (мРНК), содержащая готовую к считыванию информацию о последовательности белка.

Именно этот комплекс готовит предшественников мРНК к синтезу правильных белков - путем вырезания из середины РНК последовательностей, не несущих в себе информации о составе белка, но содержащих регуляторные элементы. Так что и часть догмы «РНК → белок» имеет свои ограничения.

Молекулярный «контроль качества»

А что мы знаем про так называемые «белок-кодирующие» гены? В клетках прокариот (бактерии) для такого типа генов все просто: на матрице ДНК транскрибируются молекулы РНК, на их базе идет синтез белковых молекул. Чаще всего молекулы РНК готовы для синтеза уже во время транскрипции.

В клетках эукариот все гораздо сложней: синтезирующиеся в процессе транскрипции молекулы РНК не готовы к трансляции (синтезу белка), прежде они должны претерпеть ряд изменений. Определенный набор модификаций вносится на концы молекул РНК (и РНК становится стабильной, а также попадает в определенные зоны клетки - «фабрики белка»), из середины молекул вырезаются интроны. Без сплайсинга и объединения экзонов правильную белковую молекулу не синтезировать.

С усложнением геномов вклад сплайсинга в процесс созревания мРНК увеличивается: у дрожжей только 4% белок-кодирующих генов подвергается сплайсингу, у дрозофилы - 83%, а у человека - 94%. Основная часть генов человека содержит более одного интрона в своем составе, и более половины генов человека могут сплайсироваться несколькими способами. Так что сплайсинг - это дополнительный регуляторный механизм, контролирующий количество «правильных» РНК, на матрице которых может запускаться синтез белковых молекул.

Кроме этого, сплайсинг часто является своего рода «контролем качества» молекул РНК, регулирует их стабильность. А так как альтернативный сплайсинг приводит к образованию на основе одной и той же молекулы РНК разных вариантов зрелых мРНК, это способ обеспечить дополнительное разнообразие белков в клетке. Такое разнообразие нужно для лучшей приспосабливаемости организма: разные изоформы белка могут работать в разных типах клеток, транспортироваться в разные компартменты или формировать разные поверхности узнавания для лигандов и т. д.

О чем «шумят» гены

Далеко не для всех изоформ белков известны функции, а во многих случаях для альтернативно сплайсированных молекул РНК не удается обнаружить белковый продукт. Авторы указанной статьи в Scientific Reports , изучавшие продукты альтернативного сплайсинга на модели мха, не обнаружили белков для большей части альтернативно сплайсированных молекул мРНК. В работах, выполненных на других модельных организмах, для многих альтернативно сплайсированных вариантов мРНК белковые молекулы также не были найдены.

Возможно, такие молекулы - побочный продукт регуляции «количества» генной экспрессии, «генный шум»; либо некоторые изоформы белка нужны в крайне ограниченных количествах.

Кроме этого, во многих интронах генов находятся регуляторные элементы, управляющие процессами сплайсинга, и там же могут находиться некодирующие РНК, участвующие в клеточном метаболизме. Так что и многообразие изоформ, и даже экспрессии белка могут контролироваться непосредственно молекулами РНК, без участия ДНК.

С развитием полногеномных технологий появляется все больше работ о некодирующих молекулах РНК. В геноме человека описан огромный пул таких РНК - «длинных» и «коротких»: они осуществляют важные регуляторные функции в клетке. Эти РНК следят за стабильностью белок-кодирующих РНК, активируют или репрессируют гены, являются сенсорами при разных стрессах. Функции основной части некодирующих РНК еще не описаны, это целый мир, без которого клетка и организм не могут существовать.

Накопленные на сегодня данные наталкивают на мысль, что на молекулярном уровне жизнь - это форма реализации функций РНК. ДНК хранит информацию, белок отвечает за клеточный метаболизм, а жизнь клетки (и организма) организуется и контролируется на этапе функционирования молекул РНК.

Существуют даже предположения, что именно РНК на заре эволюции была первым биополимером, способным к самовоспроизводству. РНК, с одной стороны, подобно ДНК, способна быть хранилищем генетической информации (геномы огромной группы вирусов представлены РНК). С другой - известны и РНК с каталитической функцией, способные выполнять часть функций белков. Сторонники РНК-мира считают, что свойства РНК, позволившие им воспроизводить за счет собственной ферментной активности записанную в последовательностях нуклеотидов информацию, сыграли решающую роль в становлении генетического аппарата живых организмов.

Время для подобных обобщений еще не пришло. Ученые только начинают понимать, что система, которую они изучают уже 100 лет, гораздо сложней, чем казалось даже 20 лет назад.