8* От РНК к генам. Прогенота

Для хранения и передачи наследственной информации РНК малопригодна. Для этого нужна макромолекула, не участвующая (как участвует РНК) в жизни клетки, зато обеспечивающая надежность информации, а значит, ее избыточность.

Главным в схеме явилось допущение, что синтез ДНК на РНК-овой матрице, известный как обратная транскрипция, имел место при биопоэзе и что для этого служила «активность наподобие активности обратной транскрип- тазы» (рис. 45). Долгое время этому допущению противоречило отсутствие обратной транскрипции у прокариот, однако недавно у паразитической бактерии Wolbachia (о ней см. п. 8-3) обнаружены инактивированные гены обратной транскриптазы. Это делает схему реальной.

Наследственность, по данной схеме, возникла еще до появления первых организмов (клеток). Ее носителем явилась прогенота - первая система, в которой обмен веществ и информации отделен от наследственности. Авторы сочли, что еще в РНК-овом мире появились основные способы обработки генетической информации - не только транскрипция РНК в РНК, но и сплайсинг, и экзон-интронное строение (и, добавлю, редактирование РНК). Словом, появление ДНК с ее репарацией, рекомбинацией и репликацией вероятно было итогом того, что мы выше (п. 6-15) упоминали как “внутриклеточное мышление”, причем оно возникло в прогеноте.

В этом допущении укрепляет и недавний спецвыпуск журнала «Биохимия» (2005, № 5), посвященный 70-летию Б.Ф. Ванюшина. Сам юбиляр напоминает, что метилирование («второй язык генетики», см. п. 5-5*) может протекать без ферментов, что тимин (отличающий код ДНК от более древнего кода РНК) есть              всего лишь

метилированный урацил, что              РНК может

направлять процедуру метилирования ДНК, и много иных интересных вещей,              относящихся к

ранней              эволюции.

обзоров этого номера мы узнаём, что метилирование, которое много лет считалось просто одним из механизмов регуляции развития особи, на самом деле есть один из самых общих информационных языков жизни.

При чтении этого спецвыпуска более всего поражает тот факт, что чужеродная ДНК может не уничтожаться иммунной системой, а маркироваться путем метилирования и в такой форме включаться в геном. Зачем? Похоже на то, что генетические системы могут, подобно библиофилам, копить тексты «про запас», чтобы затем «почитать на досуге». Читают они вполне сознательно, делают при этом вполне сознательные «пометки на полях» и ставят «секретные коды». Опять, как и в пп. 5-6, 5-7, 6-15, видим внутриклеточное мышление. Сколь рано оно появилось, непонятно.

Прогенота, согласно излагаемой гипотезе, произвела первую клетку (замечу, что эта стадия до сих пор тоже совсем непонятна), причем клетки довольно быстро оказались двух типов: первый сохранил интроны, и в нем произошли эвкариоты, тогда как у второго интроны почти или вовсе утратились, что привело к иному типу эволюции (прокариоты) - клетка осталась сравнительно простой, зато быстро делящейся, легко порождающей новые типы белков и открытой для горизонтального переноса.

У всех прокариот ДНК замкнута в кольцо, а у эвкариот - линейная. Как обратил внимание биохимик-теоретик А.М. Оловников, это достоинство эвкариот (оно облегчает компоновку хромосомы из блоков) обернулось для них радикальным изъяном: хромосома, а за ней и вся клетка, стареет от неполной репликации ее концов. Мы вернемся к данному вопросу в п. 8-6, а здесь замечу, что это - заведомо не единственная причина старения и что бактерии стареют тоже.

В прогеноте же должны были возникнуть вирусы. Вероятно, они возникли до клеток - как простейшие компактные переносчики и хранители генетической информации. Из этого вовсе не следует, что они были в каком- то смысле предшественниками прокариот: вирус не является организмом, и принцип его организации не использован в прокариотах.

Зато вирусный принцип компактной укладки двуспиральной ДНК использован в эвкариотной клетке, он лежит в основе строения хромосомы.

По всей видимости, в прогеноте возникли также вирусы с двуспиральной PHK1 осуществляющей функцию "геномных цензоров" (п. 6-6**) и тем самым давшие эвкариотной клетке возможность существовать в потоке прокариотных генов, не теряя индивидуальности. Если так, то первая эпигно- стическая функция возникла еще в прогеноте и ограничивала горизонтальный перенос генов.

Как долго жила прогенота, сказать нельзя. Еще недавно можно было отметить, что биохимические следы жизни примерно на 700 млн лет старше, чем самые древние из обнаруженных клеток и что первые следы прокариот и эвкариот почти одинаково стары (около 2,7 млрд лет), но экологически важными эвкариоты стали лишь еще через миллиард лет (Федонкин М.А. Изменение доступности металлов и эвкариотизация... // Труды ГИН, вып. 565. М., ГЕОС, 2004). Однако в настоящее время структуры, похожие на бактерий, обнаружены во всех осадочных породах, начиная с возраста 3,8 млрд лет (микропалеонтолог А.Ю. Розанов, в ответ на мой вопрос на его докладе в апреле 2006 г., прямо сказал: «во всех»), так что для прогеноты собственное время жизни пока не выявляется.

Это еще не значит, что ее вообще не было. Во-первых, она могла оставить след о себе в более древних породах, а во-вторых, гипотеза прогеноты вовсе не требует, чтобы та была мощным глобальным объектом, сохраняющимся в геологической летописи. Она могла быть просто лужей.

8** От РНК-ового мира к нашему

Рибозимы несравненно менее разнообразны, чем белки, поскольку белки формируются из 20 разных аминокислот, тогда как РНК - всего из 4 нуклеотидов двух типов: основаниями двух нуклеотидов являются пурины, т.е. аденин и гуанин, а двух других - пиримидины, т.е. цитозин и урацил. (Напомню: нуклеотидом называется азотистое основание плюс звено сахаро-фосфатной цепи.) Казалось, что преодолеть малое разнообразие нуклеотидов невозможно, и с идеей РНК-ового мира следует расстаться.

Рис. 46. Минорные основания, возможно служившие для абиогенеза. Слева урацил (без одного водорода); он обратимо образует 5-гидроксиметилурацил - основу множества минорных оснований, являющихся аналогами обычных аминокислот. Далее по часовой стрелке: тимин (аналог аланина), затем изображены аналоги цистеина, аргинина, тирозина, триптофана, гистидина; в самом низу рисунка - основание нуклеотида, служащее аналогом сразу трех аминокислот (глютамина, аспарагина, глицина); последним изображен аналог лизина (по: Робертсону и Миллеру)

Майкл Робертсон и Стенли Миллер (США) напомнили, что в условиях, имитирующих преджизнь,              можно

получать не только 4 обычных, но              и ряд

минорных              (редких)

оснований. Среди них интересен 5-оксиметил- урацил:              его              можно

получить, соединяя урацил с формальдегидом. При 100°С (вот она, гидротерма!) 5-оксиметил- урацил может порождать целый              спектр

минорных оснований (рис. 46). Интересны они тем, что каждое служит сте- реохимическим аналогом одной из аминокислот, т.е. имеет сходные размер и форму и              может              участвовать              в тех              же реакциях              (Robertson М.Р., Miller S.L.

Prebiotic synthesis              of              5-substituted              uracils:              a              bridge              between the RNA world and

the DNA-protein world// Science, vol. 268, 5 May 1995).

Итак, согласно концепции «РНК-ового мира» механизм синтеза белка возник при биопоэзе следующим образом: сначала рибозимы (тогда гораздо/>

более разнообразные, чем теперь) эволюировали сами по себе, встраиваясь в геохимические круговороты наравне с протеиноидами, тоже состоявшими из большего, чем теперь, числа типов аминокислот. Te рибозимы, что катализировали собственный синтез, стали предками генетического аппарата, а те, что катализировали синтез протеиноидов - предками аппарата синтеза белка.

Международный журнал «Origins of life and evolution of the biosphere» (Нидерланды) дал в номере 3-5 за 1996 год подборку статей, в которой авторы из разных стран на все лады заявляли о негодности концепции PHK- ового мира, а завершила подборку статья А.Д. Альтштейна «Происхождение протоклеток», где сказано, что есть выход лучше: РНК-ового мира никогда не было, а с самого начала существовали прогены - гипотетические структурные единицы, на которых шел одновременный синтез полинуклеотидов и соответствующих им полипептидов; проген располагался на мембране, а работа его состояла в подборе аминокислот, стереохимически соответствующих определенным нуклеотидным триплетам. Клетка, полагает Альт- штейн, возникла тогда, когда мембрана научилась расти и замыкать собою полость, содержащую проген. Идея, как видим, близка прежней требованием стереохимического соответствия, но не требует от рибозимов разнообразия ферментативных свойств.

Обе концепции решил сблизить японский генный инженер Масуями Нашимото: он полагает, что в эпоху РНК-ового мира был период, когда РНК и белки играли симметричные друг другу роли, когда наряду с примитивной трансляцией существовала примитивная обратная трансляция, т.е. процедура формирования транспортных РНК для аминокислот. По мнению Нашимото, обратная трансляция опасна (как нарушающая принцип наследственности) и вскоре исчезла (Nashimoto М. The RNA/Protein symmetry hypothesis: experimental support for reverse translation of primitive protein // Journal Theoret. Biol., 2001, vol. 209, p. 181-187). На данную работу мое внимание любезно обратил А.М. Дейчман (который сам полагает, что обратная трансляция малых фрагментов существует поныне).

С позиции Нашимото понятно, почему из 150 аминокислот только 20 имеют свои тРНК: для остальных аминокислот просто не хватило времени их выработать до окончания «периода симметрии».

Конечно, все это очень сыро и не раз еще будет пересмотрено, но важно тем, что показывает разрешимость проблемы [Спирин, 2001].

Вероятно, что аппарат наследственности впервые образовался в форме одноцепочечной РНК (как у некоторых современных вирусов). Вирус - не организм, он не имеет своего метаболизма и не может самостоятельно размножаться, а первый организм должен был уметь и то, и другое. Жизнь началась явно не с вирусов, но их изучение полезно диатропически: показывает, сколь различно может быть устроен механизм наследственности. Ви

рус отличается от примитивнейшего организма так же, как дискета с несколькими маловажными программами - от простейшего компьютера (более вольно говоря, как компьютерный вирус от компьютера), но именно на вирусах видно разнообразие «программных языков» жизни, т.е. способов записи наследственной информации. У вирусов она может храниться в четырех формах - в РНК или ДНК, в одноцепочечной или двуспиральной (хотя каждый вирус использует только одну форму).

В случае одноцепочечной РНК информацию можно использовать прямо, без расплетения нитей и процессов трансляции. Поэтому естественно считать, что такой способ был исторически первым. Ho он же и самый ненадежный: такую молекулу легко разрушить любым ферментом, и всякое повреждение необратимо (поскольку пары для сравнения нет).

Двуспиральная форма РНК удобнее тем, что «несъедобна» для ферментов, зато она труднее для считывания. В такой форме (одиночные РНК для метаболизма, двуспиральные для наследственности) жизнь, вроде бы, вполне возможна, и возникает вопрос: почему мы ее не наблюдаем? Ведь все организмы (вирусы - не организмы) имеют наследственный аппарат, основанный на двуспиральной ДНК и одноцепочечной РНК. Исключение являют “геномные цензоры”, использующие короткие двуспиральные РНК (п. 6), но она используется отнюдь не для наследования.

У двуспиральной ДНК замечательных свойств много (например, она хорошо вписывается в кристаллическую структуру воды и потому даже разрывы обеих цепей могут устраняться), но сейчас нам важно понять ее место в процессе биопоэза. Напомним, что согласно ГЦК (п. 4), эобионты - первичные самостоятельные формы жизни - выделились из субвитальных зон. Этому должно было предшествовать появление хотя бы самой примитивной наследственности, иначе эобионты были бы бесполезны. Следовательно, наследственность была нужна еще в субвитальной зоне, где многочисленные РНК были вовлечены в круговороты, а потому неминуемо подвергались уничтожению; наряду с массовой, подлежала уничтожению уникальная РНК, кодировавшая едва найденные «изобретения». Отличить нужное было некому. Тут и помог иной тип нуклеиновой кислоты.

Изъятие одного атома кислорода из каждого звена сахаро-фосфатной цепочки, превращающее рибозу в дезоксирибозу и, соответственно, РНК в ДНК, позволяет двойной спирали скручиваться более компактно - спираль ДНК может обладать как обычной формой (A-форма), аналогичной спирали РНК, так и «сверхскрученной» В-формой, недоступной ферментам.

Возможно, что именно это различие послужило к разделению функций: РНК - для работы с информацией, для ее неограниченного копирования и редактирования, ДНК - для ее хранения. Считывать ДНК могла более сложная, более поздняя и более медленная система. Из нее, вероятно, позже появилась прогенота. Конкретнее о биопоэзе сказать пока нечего, зато в самое последнее время начал выясняться тот факт, что и в наше время РНК

служит не менее важным метаболитом, чем белок: лишь 30% генов (транскрибируемых участков ДНК, успешно прошедших сплайсинг) кодируют белки, а остальные используются прямо в форме РНК - как регуляторы (см. конец п. 5-7). Мы и ныне живем в РНК-овом мире.