РИБОНУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ (1113566), страница 2
Текст из файла (страница 2)
• РНК, в отличие от ДНК, - одноцепочечный полимер',
• РНК формирует вторичную структуру — набор коротких спиральных участков - в основном за счет антипараллельного комплементарного спаривания смежных отрезков цепи;
• РНК способна образовывать третичную структуру за счет дальних комплементарных взаимодействий внутри цепи и межспиральных взаимодействий;
• высокополимерная РНК способна сворачиваться в компактные частицы;
• РНК обладает значительной конформационной подвижностью (рис. 4).
Принцип формирования компактных структур высокополимерными РНК получил подтверждение и дальнейшее развитие в цикле работ Института белка АН СССР, организованного мной и моими коллегами в 1967 г. в Пущине. В электронно-микроскопических исследованиях рибосомных РНК, проведенных В.Д. Васильевым совместно с сотрудниками моей лаборатории, было впервые продемонстрировано, что в соответствующих условиях РНК образуют компактные частицы, специфические по форме, в зависимости от типа РНК, и форма компактно свернутой РНК определяет общую морфологию рибосомной частицы [31, 32]. Рибосома включает два типа высо-кополимерных РНК: так называемую 16S, или малую рибосомную РНК (мол. вес около 0.6 х 106), и 23S, или большую рибосомную РНК (мол. вес около 1.2 х 106). Каждая из них, совместно с рибосомными белками, входит в состав двух разных по размеру и форме рибонуклеопротеидных частиц, называемых рибосомными 30S и 50S субъединицами. Объединившись (ассоциация рибосомных субъединиц), эти две частицы образуют полную функциональную рибосому. Электронная микроскопия показала, что 16S и 23S РНК, без всяких белков, сами организуют свое сворачивание в компактные частицы специфической формы, похожие на соответствующие рибосомные субъединицы (см. [13], рис. 4). Отсюда следовал принципиально важный вывод о структурообразующей функции РНК. Ранее и способность к специфическому самосворачиванию в компактные глобулы, и функции структурообразования внутриклеточных частиц приписывались только белкам.
Этим наблюдениям предшествовали наши опыты по индуцированным структурным превращениям рибосом типа разворачивания рибосомных частиц в рибонуклеопротеидные тяжи без потери рибосомных белков [33, 34], а также разборки и обратной самосборки рибосомных белков на ядре РНК (реконструкции рибосом) [35], доказавшие, что при формировании рибосомных частиц РНК служит каркасом. Изучение нейтронного рассеяния рибосом совместно с группой И.Н. Сердюка в Институте белка АН СССР (см. [32]) дало дополнительные физические свидетельства о взаимном расположении РНК и белков в рибосомных частицах. В целом все это позволило сформулировать три общих принципа структуры рибосом:
• рибосома построена из двух неравных разделяемых субчастиц - малой и большой рибосомных субъединиц;
• две специфически самосворачиваемые высокополимерные РНК - рибосомные РНК - образуют компактные структурные ядра двух рибосомных субъединиц;
• разнообразные рибосомные белки и их группы специфически собраны на каркасе рибосомных РНК, в основном на периферии этих компактных ядер.
Рибосомы и их обе субъединицы были успешно кристаллизованы нами в Институте белка и совместной немецко-израильской группой (Г. Виттманн -ФРГ и А. Йонат - Израиль) еще в 80-х годах, после чего в нескольких лабораториях началось кристаллографическое рентгеноструктурное исследование с целью расшифровки их атомной структуры. В 1999-2001 гг. структура бактериальной рибосомы и ее субъединиц была определена с разрешением от 5.5 до 2.4 А в зависимости от объекта исследования американскими, английской и немецко-израильской группами исследователей [36-39].
Помимо информации о детальном устройстве рибосомы, полученные результаты полностью подтвердили вышеуказанные общие принципы ее структуры, и в первую очередь тот факт, что форма субъединиц определяется их компактно свернутой РНК, а рибосомные белки располагаются на периферии этих ядер. Полная рибосома - ассоциат двух разных, компактно и специфически свернутых РНК, лишь на части поверхности "декорированной" белками. Важно, что именно рибосомная РНК, как оказалось, образует главные функциональные центры рибосомы и определяет принципиальное устройство рибосомы как молекулярной машины, осуществляющей синтез белка по программе, записанной в мРНК. Вполне вероятно, что на заре жизни рибосома состояла только из РНК, а рибосомные белки - это более позднее эволюционное приобретение для стабилизации рибосомной РНК или улучшения ее функции.
ВСЕМОГУЩАЯ РНК
Способность РНК к формированию компактных трехмерных структур, как и в случае белков, дает основу для специфического взаимодействия с другими молекулами - макромолекулами и малыми лигандами. Для молекул РНК, свернутых в специфическую глобулу, благодаря чему на ее поверхности создается уникальный пространственный узор, приходится допустить возможность функции молекулярного узнавания, как и у белков. В свою очередь, высокоизбирательное узнавание приводит к возможности специфического катализа химических реакций на манер ферментативного катализа реакций белками.
Пожалуй, первыми известными "узнающими" РНК можно считать так называемые "транспортные" РНК, или тРНК, выполняющие адапторную роль в биосинтезе белка (см. [13], рис. 1). Эти сравнительно небольшие РНК (мол. вес около 30000) представляют собой компактно свернутые молекулы с однотипной пространственной структурой (см. [13], рис. 3). Их назначение - перенос аминокислот из свободного состояния в состав синтезируемой рибосомой полипептидной цепи белка. Для выполнения этой задачи тРНК должна поочередно и очень избирательно взаимодействовать с целым рядом макромолекулярных структур в клетке: сначала с белком-ферментом (аминоацил-тРНК-синтетазой), несущим определенную активированную аминокислоту, затем, неся на себе ковалентно присоединенную аминокислоту, с другим белком (фактором элонгации EF-Tu), вместе с которым она поступает в рибосому, и потом одновременно с рибосомной РНК и мРНК в рибосоме. Хотя на этом пути, несомненно, реализуются функции специфического узнавания молекулами тРНК других макромолекул, долгое время все же молчаливо принималось, что основную роль играет узнавание тРНК со стороны белков - ферментов, факторов трансляции и рибосомных белков, но не наоборот.
Английский ученый Э. Кандлифф был первым, кто четко и определенно заявил о способности структурированных участков рибосомной РНК специфически узнавать малые лиганды ненуклеиновой и небелковой природы. Он представил экспериментальные данные в пользу избирательного взаимодействия (связывания) именно участков свернутой РНК, а не белков, с рядом антибиотиков рибосомного действия - тиострептоном, эритромицином, аминогликозидами (стрептомицином, канамицином, неомицином) [40]. Через 10 лет другими учеными были представлены прямые структурные данные о специфическом связывании аминогликозидных антибиотиков районом малой (16S) рибосомной РНК [41] (см. также обзор [42]).
Окончательное признание за РНК способности узнавать самые разнообразные молекулы и весьма специфично взаимодействовать с ними пришло благодаря аптамерам - небольшим по размерам синтетическим РНК, получаемым путем отбора из многих вариантов нуклеотидных последовательностей с помощью процедур так называемой "бесклеточной эволюции", "эволюции в пробирке" [43, 44]. Оказалось, что можно отобрать и размножить РНК, обладающие способностью избирательно связывать практически любой вид молекул, начиная от низкомолекулярных органических соединений и кончая различными индивидуальными пептидами и белками (см. обзоры [42, 45]). Другими словами, РНК, как и белки, действительно в полной мере могут обладать функцией специфического молекулярного узнавания.
Еще до этих исследований, в начале 80-х годов прошлого века, в лабораториях Т. Чека и С. Олтмана в США было сделано сенсационное открытие, осуществившее революцию в биохимии и молекулярной биологии: было показано, что РНК может быть специфическим катализатором биохимических реакций [46,47]. В течение всей предшествующей истории биохимии на протяжении десятилетий утверждалось, что биохимический катализ - "прерогатива" исключительно белков-ферментов. Поэтому и все теории происхождения жизни вынуждены были исходить из первичности белков как макромолекул, абсолютно необходимых для возникновения биохимического метаболизма (обмена веществ). Открытие каталитической функции РНК перевернуло все прежние представления об исключительной роли белков не только в возникновении жизни, но и в понимании самого явления жизни.
По аналогии с белками-ферментами - энзимами - каталитические РНК были названы рибозимами. По-видимому, почти все рибозимы, естественно существующие в живой природе в клетках современных организмов, так или иначе участвуют в процессах, связанных с превращениями полинуклеотидных цепей самих РНК. Однако оказалось возможным создавать и искусственные рибозимы с более широким спектром катализируемых реакций [48]. Кроме того, как выясняется из всей совокупности данных по структуре рибосом и особенностей катализируемой рибосомой реакции образования пептидных связей в процессе биосинтеза белка, каталитический центр этой реакции (пептидил-трансферазный центр рибосомы) формируется определенным доменом большой рибосомной РНК, без принципиального участия рибосомных белков, то есть имеет рибозимную природу [49,50].
Итак, именно после открытия каталитической функции РНК поменялась парадигма, и взоры биологов обратились к РНК. В самом деле, молекулы РНК способны делать все то, что делают белки: складываться в специфические структуры и определять формообразование биологических частиц, с большой точностью узнавать другие макромолекулы и малые лиганды и взаимодействовать с ними, наконец, осуществлять катализ ковалентных превращений узнаваемых молекул. Конечно, белки делают все это более эффективно и разносторонне, чем РНК. Но зато белки в принципе "не умеют" самовоспроизводиться - не существует никаких собственных белковых механизмов для воспроизведения их структуры, кроме как через РНК. В то же время РНК содержит все необходимые структурные предпосылки для точного воспроизведения ее собственной структуры.
РНК - близкий аналог ДНК, современного "вещества наследственности". Структурно ничто не мешает ей образовывать двойные спирали по типу ДНК, с полным соблюдением принципа комплементарности за счет формирования пар G-C, C-G, A-U и U-A между двумя полирибонуклеотидными цепями. В таком случае и воспроизведение (репликация) РНК на РНК представляется вполне разрешенным процессом. Действительно, хорошо известно, что двойные спирали РНК существуют в природе, и в первую очередь - в качестве самостоятельных РНК-геномов у некоторых вирусов (например, реовирусов и ротавирусов животных и человека). Вообще геномы в виде РНК, а не ДНК довольно распространены среди вирусов как животных, так и растений, а также бактериальных вирусов (бактериофагов), но в подавляющем большинстве случаев их геномная РНК представлена одной цепью РНК, на которой лишь после попадания вируса в клетку строится комплементарная цепь.
Так или иначе, вирусология давно доказала наличие таких же генетических репликативных функций у РНК, какие свойственны ДНК в клеточных организмах.
По-видимому, современные клеточные организмы не могли бы существовать без генетического "единоначалия" ДНК, и на самостоятельное воспроизведение РНК эволюцией был наложен строгий запрет, иначе происходила бы дерегуляция генной активности в организмах, нарушение контролируемого генами баланса продуктов и процессов в клетке и полная дезорганизация жизни. Тем не менее репликация РНК на РНК в специальных случаях может осуществляться в нормальных клетках. Об этом свидетельствуют самые последние открытия новых классов малых негенетических РНК в клетках животных и растений - так называемых интерферирующих РНК (siRNA) и микpoPHK (miRNA) — с регуляторной и антивирусной активностью: функционирование и воспроизведение этих РНК требует их самостоятельной репликации [51].
МИР РНК - ДРЕВНИЙ И СОВРЕМЕННЫЙ
Таким образом, РНК представляется наиболее самодостаточным веществом живой материи. Она принципиально способна выполнять все или почти все функции, которые свойственны белкам, включая формообразование и биохимический катализ, и в то же время может быть полноценным генетическим веществом с его репли-кативной и кодирующей функциями [13]. Осознание этих фактов и привело биологов, химиков и геологов к гипотезе о древнем "мире РНК", который эволюционно предшествовал нашей нынешней ДНК-РНК-белковой жизни [52] (подробнее см. [13]). В мире РНК не было ни белков, ни ДНК, а лишь ансамбли различных молекул РНК, выполняющих разные вышеперечисленные функции. Это были, скорее всего, бесклеточные системы. Формирование клеточных структур, безусловно, требует участия, по крайней мере, белков и липидов, которых еще не было. Компартментализация ансамблей РНК в виде коацерватных капель также была маловероятна, по причине отсутствия полипептидов, полисахаридов и других полимеров, способных к коацервации. Тем не менее, для того чтобы каждый ансамбль РНК мог существовать как система, наследовать приобретенные признаки, полезные для всей системы, и эволюционировать, его РНК-репликазы, лиганд-связывющие РНК, РНК-синтетазы и продукты синтезов должны быть, очевидно, как-то объединены в пространстве. Поэтому в большинстве теорий происхождения жизни возникновение ограничивающих мембран или хотя бы поверхностей раздела фаз постулируется необходимым условием начала эволюции, в том числе эволюции ансамблей РНК (например, см. [53]).
Возможна, однако, и альтернатива, на мой взгляд, даже более вероятная. Около десяти лет назад в Институте белка РАН моим учеником А.Б. Четвериным с сотрудниками была экспериментально показана способность молекул РНК формировать молекулярные колонии на гелях или других твердых средах, если на этих средах им были предоставлены условия для репликации [54,55] (рис. 5). 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 необходимые для успешного существования структуры (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. Легкое распространение молекул РНК через среду, в том числе атмосферную, также было продемонстрировано в прямых экспериментах [54]. Более того, как показали недавние эксперименты той же группы исследователей, молекулы РНК при столкновениях в водной среде могут спонтанно обмениваться кусками, то есть обладают способностью к неэнзиматической рекомбинации [56].
Рис. 5. Колонии реплицирующихся молекул РНК на агарозном геле [54, 55]
Слева - колонии РНК, выросшие на закрытой чашке Петри
в течение одного часа при температуре 25°С.
Справа - колонии РНК выросшие на открытой чашке Петри в тех же условиях
(заражение молекулами РНК из воздуха)
Именно такие условия постулировал К. Вуз для возникновения Универсального Предшественника живых существ на Земле [57]: высокий уровень мутаций (ошибок репликации) из-за примитивности и несовершенства механизмов репликации генетического материала, свободный обмен генетическим материалом между предшественниками клеток - "прогенотами" - и коммунальный характер бытия этих предшественников, когда любые продукты и инновации одних становились достоянием всех ("от каждого по способностям - каждому по потребностям"). Однако, в отличие от гипотезы К. Вуза, я бы предпочел отдать роль Универсального Предшественника доклеточной - бесклеточной - форме существования мира РНК, когда еще не было ни ДНК, ни механизмов синтеза белка. Универсальным Предшественником могло быть как раз коммунальное сообщество колоний-ансамблей РНК, существующих и размножающихся на твердых или гелеобразных поверхностях первобытной Земли, не ограниченных физически никакими мембранами и фазовыми разделами и потому свободно обменивающихся как генетическим материалом, так и продуктами катализируемых реакций.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
