«МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ
И МИР РНК»

Из доклада академика В.Власова.

Наверное, со школьных лет каждый из нас хорошо помнит, что основными генетическими молекулами всегда считались ДНК и белок. Однако при обсуждении вопроса о происхождении жизни все чаще упоминают РНК. Почему именно РНК? Попытаюсь кратко рассказать, в чем дело, почему РНК оказалась в центре внимания химиков и биологов. С чего началась жизнь? Сначала ведь были просто химические соединения, пребиотическая химия. Обратим внимание на следующее: по данным геологических исследований, от момента остывания поверхности Земли, когда на ней создались условия, приемлемые для реакций сложных молекул, до появления зафиксированных палеонтологами следов первых клеток прошло всего около 0,5 млрд лет. По сравнению с временем последующей биологической эволюции, это очень мало. Отсюда возможны различные выводы. Во-первых, можно усомниться в точности приводимых датировок (хотя, скорее всего, они верны). Во-вторых, допустимо рассуждать о том, что зарождение жизни и первые этапы эволюции происходили не на Земле, и тогда у нас появляется достаточно времени на ее предварительную стадию. Но сути дела это, в общем, не меняет. Независимо от того, началась ли эволюция живого вещества на нашей планете или где-то в космосе, физико-химия должна ответить на вопрос, как это происходило.

Опубликовано множество работ, где исследуется, можно ли получить молекулы-предшественники органических соединений из простых веществ под действием ультрафиолетового облучения, высокой температуры, ударных волн, катализаторов… Показано, что различными способами в условиях пребиотического синтеза можно получить большое количество веществ-предшественников, биологических молекул: сахара, аминокислоты, гетероциклические основания. Но, честно говоря, перспектив у подобных исследований не так много — с таким же успехом можно рассуждать об архитектуре, имея перед глазами элементный состав кирпича. На самом деле, вопрос заключается не в том, где образуется органика. Где проходит граница между живым и неживым?

Здесь возникает вопрос о терминологии. Поскольку над проблемой происхождения жизни работают ученые разных областей, каждый оперирует своими понятиями. Можно вспомнить и классиков марксизма, определявших жизнь как способ существования белковых тел — очень круглая фраза, за которой не стоит абсолютно никакого смысла. Но во многих других определениях смысла столько же! Не стоит пытаться свести все к простым понятиям. Похожим может быть многое. Иногда, определяя жизнь как репликацию, начинают вспоминать процессы кристаллизации. Как справедливо отметил ак. В. Пармон, кристаллизация не является аналогом того, что происходит в живых системах. Проводя аналогии, можно прийти к абсурду. Так, можно сказать, что более твердый минерал переживает менее твердый и назвать это отбором по принципу прочности. На самом деле, о жизни можно строго говорить лишь тогда, когда идет дарвиновский отбор, эволюция. Это означает, во-первых, что есть некое вещество, способное себя копировать, т.е. генетическая программа, которая сама себя воспроизводит. Во-вторых, должна быть возможность усовершенствования этой программы, т.е. возникновения в процессе размножения некоторых изменений, мутаций. Особенности окружающей среды позволяют выжить тем молекулам, которые приобрели какие-то преимущества. Мутанты с улучшенными свойствами лучше выживают в окружающей среде, а мутанты с худшими свойствами погибают — идет естественный отбор. Есть еще один фактор, который стоит упомянуть, рассуждая о живых системах. Этот фактор — пространственная обособленность данной системы, поскольку иначе она не сможет получить пользы от плодов своей деятельности. Если некая система научилась что-то делать, но драгоценный продукт беспрепятственно уплывает от нее, такая система не располагает никакими конкурентными преимуществами.

Рис. 1

Чтобы понять, как пришли к мысли о важной роли РНК, необходимо напомнить, как устроены нуклеиновые кислоты. На рисунке 1 показана цепь главных валентностей нуклеиновой кислоты, скелет молекулы — остатки рибозы, соединенные фосфорной кислотой. К рибозе присоединены гетероциклические или, как их еще называют, азотистые основания. РНК отличается от ДНК наличием оксигруппы ОН там, где у ДНК стоит водород Н. В этом году праздновали юбилей открытия структуры ДНК, и все знают, что ДНК имеет форму двойной спирали, которая образуется за счет водородных связей между основаниями. РНК также может формировать спираль, но у нее есть еще дополнительные возможности структурообразования за счет оксигруппы. Эта оксигруппа может образовывать водородные связи и, кроме того, вступает во взаимодействия с ионами некоторых металлов и фосфатами. Поэтому РНК способна создавать не только ДНК-подобную двойную спираль, но и сворачиваться в глобулярные сложные трехмерные структуры. Это очень важно, т.к. трехмерная сложная организация позволяет молекулам иметь самые разные свойства- избирательно связываться с другими молекулами, катализировать реакции и многое другое. Так вот, благодаря этим свойствам РНК является единственным кандидатом на роль первой живой молекулы. Она может воспроизводить себя, эволюционировать за счет мутаций и изолироваться в пространстве. Древние молекулы РНК имели возможность изолироваться и образовывать колонии. По одному варианту, это могли быть колонии, поселившиеся на каких-то пылевых частицах или на минеральной поверхности, по второму — первые клетки. Как известно, жирные кислоты могут образовывать в воде микропузырьки-липосомы — с настоящими липидными мембранами, почти как клетки. Не исключено, что уже первые системы РНК-молекул были заключены в такие клетки. Считается, что самыми ранними формами жизни со всеми ее атрибутами были первичные клетки рибоциты, имеющие липидную мембрану и «начиненные» внутри маленькими РНК. Такие системы уже могли эволюционировать. Это был Мир РНК, в котором не было никаких биологических молекул, кроме РНК.

Рис. 2

Как давно догадались о роли РНК в зарождении жизни, о том, что был мир РНК? На рисунке 2 показана общеизвестная схема синтеза белка, как ее учат в школе. На двойной спирали ДНК синтезируются матричные РНК, они переносятся в цитоплазму, и там на рибосомах синтезируется белок. А где же РНК? Хороший школьник может вспомнить, что РНК — это промежуточный носитель информации (матричные РНК). Студент уже вспомнит, если напряжется, о существовании молекул РНК в составе рибосом и о транспортных РНК — маленьких РНК, переносящих аминокислоты на рибосомы, где происходит синтез белка за счет процесса декодирования, считывания информации с матричных РНК.

Это происходит так. Трехнуклеотидные последовательности-кодоны в мРНК кодируют определенные аминокислоты. Транспортные РНК переносят на рибосому определенные аминокислоты. Они имеют в своей структуре трехнуклеотидные последовательности — антикодоны, которые комплементарны кодонам мРНК, соответствующим этим аминокислотам. На рибосоме кодон мРНК связывает соответствующую тРНК за ее антикодон, и за счет этого связывания аминокислота, присоединенная к тРНК, оказывается в каталитическом центре рибосомы, где происходит синтез, присоединение аминокислоты к строящемуся белку. Заметьте: РНК присутствует на самых главных стадиях процесса биосинтеза белка: во-первых, из РНК сделана генетическая программа, во-вторых, аминокислота приплывает не сама по себе, но будучи присоединенной к транспортной РНК. И в составе рибосомы имеется несколько РНК. Относительно функций РНК как носителя генетической информации, вспомним, что известны геномы, в которых ДНК нет совсем — это геномы многих вирусов. Например, вирус гриппа — его геном полностью сделан из РНК, и он прекрасно с ним живет.

Фрэнсис Крик, один из ученых, удостоенных Нобелевской премии за открытие двойной спирали ДНК, еще в 1967 году обратил внимание биологов на то, что из всех известных нам биомолекул на роль первой живой молекулы может претендовать именно РНК. Аргументы были просты. ДНК — замечательно приспособлена, чтобы выполнять роль генетической программы, но она сама себя копировать не может. Белки — прекрасные катализаторы, с рекордными скоростями действия и избирательностью, но они не могут служить генетическими программами. А РНК может все! То, что она прекрасно справляется с ролью генетической программы, было давно известно. А вот то, что РНК может быть катализатором — такая идея просто никому не приходила в голову. Но такая идея пришла, и было доказано, что РНК действительно может быть катализатором, и открыватели первых каталитических РНК-рибозимов получили Нобелевскую премию.

Открытие каталитической активности РНК явилось весьма серьезным подтверждением гипотезы о существовании «мира РНК» как особой стадии биологической эволюции. Но решающий гвоздь был забит несколько лет назад, когда были получены кристаллы рибосом, этих больших молекулярных машин, синтезирующих белок. Ученые стали детально смотреть, как взаимодействуют с ними транспортные РНК, как укладывается на них информационная РНК. Одна из главных задач заключалась в поиске рибосомного белка, который катализирует соединение аминокислот в белковую цепь. Искали белок, а оказалось, что никаких белков в каталитическом центре рибосомы нет вообще — катализ осуществляется структурой, сделанной из РНК. Круг замкнулся! Получается, что весь биосинтез белка делается молекулами РНК. Рибосома, которую мы имеем сегодня — усовершенствованная белками, сделанная из РНК машина для синтеза белков.

К настоящему времени известно множество функций РНК, и открытия следуют одно за другим. Коротко перечислю важнейшие. Выше уже было рассказано о важной роли РНК в процессе биосинтеза белка. Но РНК участвуют и в синтезе ДНК, и в синтезе информационных мРНК, копируемых с ДНК. Короткие фрагменты РНК начинают синтез ДНК на ДНК-матрице, т.е. без РНК не может размножаться и ДНК. Считываемые с ДНК информационные РНК становятся полноценными только после ферментативных обработок, в которых участвует множество маленьких РНК, причем некоторые из них играют роль катализаторов. Эти каталитические РНК, рибозимы, разрезают РНК и сшивают их вновь без участия белков. В самое последнее время были открыты мощные системы регуляции с участием так называемых интерферирующих двуцепочечных РНК. Оказалось, что при помощи двуцепочечных РНК клетка регулирует активность генов и защищает себя от вирусных инфекций. Это древняя система защиты клетки, которая, похоже, скоро найдет мощное применение в терапии.

Есть множество проблем, которые еще предстоит изучить. Вопрос вопросов: что было до РНК? Никаких следов древних молекул нет и быть не может. Даже скалы тех времен давно рассыпались в песок. Поэтому, изучая начальные этапы эволюции, можно идти только путем моделирования, и здесь нас ждут удивительные открытия. Вовсе не понятно, как получились первые сложные молекулы, которые смогли эволюционировать. Возможно, сначала был синтез органических молекул на поверхности минералов. Но каких именно молекул, как получились такие относительно сложные соединения, как нуклеотиды — предстоит разобраться.

Много неясного в том, как произошел переход от мира РНК к миру современной клетки с белками. По-видимому, древние РНК начали использовать белковые молекулы в качестве «орудий труда». Но, поскольку эти «орудия» оказались очень удачными, во многих функциях они стали использоваться все более широко, пока, в конце концов, не вытеснили своих предшественников — молекулы РНК, как в фантастических романах умные машины вытесняют человека. Принцип понятен, но в деталях надо разбираться. Для этого нужно разрабатывать соответствующие модельные системы.

Сегодня для изучения РНК разработаны очень эффективные методы молекулярной селекции. Что они из себя представляют? Синтезируется большой пул из нескольких миллиардов молекул РНК (сейчас это можно сделать на автоматических синтезаторах). Затем из этого множества отбираются РНК с нужными свойствами. Например, нужно найти молекулу РНК, которая связывается с белком Х. Раствор с огромным набором коротких РНК, называемых олигонуклеотидами, пропускают через колонку, где прикреплены молекулы белка Х. Поскольку разнообразие трехмерных структур РНК огромное, среди миллиардов молекул обязательно найдется одна-две, которые свяжутся белком. Связавшиеся на колонке молекулы можно выделить, а затем — размножить с помощью ферментов, копирующих нуклеиновые кислоты. Описанный пример показывает, как можно получить РНК, способные связываться с любым веществом. Но если вместо колонки мы применим другие системы отбора, можно получить молекулы с другими свойствами. Применимость метода ограничена только фантазией исследователя — нужно придумать, как из смеси молекул отобрать молекулы, обладающие нужными свойствами. Например, научились получать каталитические РНК, и с помощью разработанных методов выделили множество разнообразных катализаторов.

Возникает вопрос, зачем нужно исследовать эволюцию РНК, чего мы добиваемся, ведь мир РНК исчез? Только ли это познавательная наука, что сродни искусству? Нет. Изучение возможностей РНК позволяет искать их функции в современной живой клетке. Это имеет огромное значение и для понимания жизнедеятельности клетки, и для создания новых процессов, и для разработки терапевтических препаратов. Мир РНК незримо существует в нашей клетке по сей день, и труженики-РНК очень эффективно функционируют. И этот мир будет существовать и дальше в живых организмах и возрождаться в виде новых биотехнологий.

стр. 4