Евгений Кунин - Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции
Рис. 12-3. Р-петля, древнейший и самый распространенный в белковых последовательностях мотив. На рисунке изображено выравнивание Р-петель восьми древних НТФаз, каждая из которых, по данным эволюционных реконструкций, была представлена в LUCA(S) (Mirkin et al., 2003). Для каждой линии представлены три последовательности: бактерии (Escherichia coli, Ecoli), археи (Pyrococcus abyssi, Pabys) и эукариота (дрожжи Saccharomyces cerevisiae, Scere). Белыми буквами на черном фоне обозначены аминокислотные остатки, напрямую взаимодействующие с фосфатным концом НТФ, а серым фоном – характерная гидрофобная β-последовательность, предшествующая ФСП. SRP – частица узнавания сигналов.
Таким образом, из сравнительного анализа древних паралогических отношений между белковыми компонентами системы трансляции следует бесспорный, хоть и парадоксальный, вывод: за интересным исключением основных рибосомных белков, все белки, играющие главную роль в современной трансляции, возникли в результате долгой и сложной эволюции различных белковых доменов. Возникает замкнутый круг: для возникновения этих белков требуется точная и эффективная система трансляции. Древняя система трансляции могла быть и не столь совершенной, как современная, но несомненно, что она отличалась от нее не более чем на порядок по точности и скорости, иначе белковая эволюция не стала бы возможной. Однако из всего, что нам известно о современной системе трансляции, такой уровень точности невообразим без сложного и специализированного белкового аппарата.
Итак, система трансляции ярко высвечивает парадокс Дарвина – Эйгена, присущий любому анализу возникновения сложных биологических систем: для работы эффективной и точной системы трансляции современного типа требуется множество различных белков, но для того, чтобы эти белки могли возникнуть, нужна система трансляции почти столь же совершенная, как современная. По-видимому, существует только одно возможное разрешение этого парадокса, а именно через отказ от первой части противопоставления: следует заключить, что трансляционная система, сравнимая с современной по точности и скорости, работала в отсутствие значительного разнообразия белков и, возможно, вообще без белков. Таким образом, основываясь на сравнительном анализе составных частей системы трансляции, мы должны сделать предположение о существовании сложного и разнообразного мира РНК, в котором уже действовала некая разновидность цикла Дарвина – Эйгена.
Это не все, что может нам дать сравнительный анализ: сравнение самих РНК также вскрывает важные явления и загадывает поразительные загадки. Так, анализ большой рибосомной субъединицы РНК 23S выявил иерархический сценарий последовательности дупликаций, способной привести от простой древней шпильки РНК к современной, сложной, универсально консервативной структуре рРНК (Bokov and Steinberg, 2009).
Консерватизм структуры определенных элементов последовательностей (таких как псевдоуридиновая петля) и даже сайтов модификации тРНК всех специфичностей (и, разумеется, всех видов) не оставляет сомнений в том, что все они эволюционировали от общего предка (Eigen et al., 1989). Отсюда, при сравнении современных последовательностей и структур, возникает второй парадокс эволюции трансляции. Если на некоторой стадии эволюции существовал единственный предок тРНК всех специфичностей, то как могла подобная трансляционная система действовать, точнее, как она могла обеспечивать специфичность кодирования аминокислотных последовательностей нуклеотидными? Если же на этом этапе трансляционной системы еще не существовало, то что привело к эволюции специфичной к аминокислотам тРНК?
Мы обратимся к этим и смежным вопросам ниже, но сначала следует хотя бы кратко рассмотреть центральное понятие в области исследования происхождения жизни: мир РНК.
Рибозимы и мир РНК
Центральная догма молекулярной биологии (Crick, 1970) постулирует, что информация передается от ДНК к белку посредством РНК (Фрэнсис Крик дополнил ее возможностью обратной передачи информации от РНК к ДНК после открытия обратной транскрипции):
Очевидно, размышляя о происхождении первых живых форм, мы оказываемся перед вопросом типа «курица или яйцо»: что появилось первым – ДНК или белок? ген или его продукт? В такой постановке вопрос, естественно, неразрешим из-за парадокса Дарвина – Эйгена: чтобы реплицировать и транскрибировать ДНК, нужны функционально активные белки, но производство этих белков, в свою очередь, требует точной репликации, транскрипции и трансляции нуклеиновых кислот. Если строго следовать центральной догме, невозможно вообразить, каким мог быть начальный материал для цикла Дарвина – Эйгена. Даже вынесение ДНК из триады и постулат о том, что изначальный генетический материал состоял только из РНК (и сведение, таким образом, триады к диаде), хоть и является ценной идеей (см. следующую главу), но не помогает разрешить парадокс. Чтобы эволюция в сторону усложнения началась, система должна каким-то образом вступить в цикл Дарвина – Эйгена до того, как установится связь между РНК-матрицами (информационной частью системы) и белком (исполнительной частью).
Блестяще остроумное и, по-видимому, единственное решение было предложено независимо К. Вёзе, Ф. Криком и Л. Оргелом в 1967–1968 годах (Crick, 1968; Orgel, 1968; Woese, 1967): ни курица, ни яйцо, но то, что между ними, – одна РНК. Уникальным свойством РНК, делающим ее вероятным и, скорее всего, наилучшим кандидатом на главную роль в древнейшей репликационной системе, является ее способность сочетать в себе информационные и каталитические функции. Было очень заманчиво предположить, что первые репликаторные системы – первые формы жизни – состояли только из молекул РНК, действующих и как носители информации (геномы и гены), и как катализаторы различных реакций, включая в том числе синтез их самих и их предшественников. Это смелое предположение получило блестящее подтверждение с открытием и последующим изучением рибозимов (ферментов РНК): Томас Чек и коллеги в 1982 году открыли автокаталитическое расщепление интрона рРНК инфузории Tetrahymena, а в 1983 году Сидней Альтман и коллеги показали, что РНКаза P является рибозимом. Следом за этими эпохальными открытиями изучение рибозимов выросло в огромную самостоятельную и растущую область исследований (Cech, 2002; Doudna and Cech, 2002; Fedor and Williamson, 2005).
Открытие рибозимов сделало чрезвычайно привлекательной идею о том, что первые репликаторы целиком состояли из молекул РНК, катализировавших свою собственную репликацию. В 1986 году Уолтер Гилберт ввел термин «мир РНК» для обозначения этой гипотетической стадии эволюции жизни, и гипотеза мира РНК завоевала широкую популярность, став ведущей и самой популярной гипотезой о ранних стадиях эволюции. (Различные аспекты гипотезы мира РНК и подтверждающие ее данные основательно рассмотрены в одноименной книге, вышедшей в 2010 г. в 4-м издании: Atkins et al., 2010.)
Популярность гипотезы мира РНК еще более стимулировала исследования рибозимов, нацеленные на поиск разнообразных каталитических активностей РНК – в первую очередь, пожалуй, активности РНК-репликазы. Заслуживает внимания тот факт, что главным экспериментальным подходом к получению рибозимов с желаемой активностью является отбор in vitro, который, во всяком случае концептуально, воспроизводит дарвиновскую эволюцию, происходившую, как полагают, в первичном мире РНК (Ellington et al., 2009). Эксперименты по направленному отбору строятся таким образом, чтобы в случайной популяции последовательностей РНК амплифицировались только те из них, которые катализируют заданную реакцию. В многостадийных экспериментах по отбору были получены рибозимы, катализирующие весьма обширное разнообразие реакций.
В табл. 12-1 перечислены некоторые из наиболее биологически значимых реакций, катализируемых рибозимами. Примечательно, что все три элементарные реакции, необходимые для трансляции, – (1) активация аминокислот через образование аминоацил-АМФ, (2) аминоацилирование (т)РНК и (3) транспептидация (реакция пептидилтрансферазы) – успешно моделируются с помощью рибозимов. Реакция авто-аминоацилирования, принципиально важная для возникновения первичных РНК-адаптеров (аналог АРСазы в мире РНК), была отобрана in vitro с относительной легкостью. Поразительно, что лучшие из полученных рибозимов катализируют эту реакцию с большей скоростью и специфичностью, чем соответствующие АРСазы, и что были отобраны очень короткие олигонуклеотиды, обладающие этой активностью (Turk et al., 2010).
Таблица 12-1. Некоторые из функций рибозимов, потенциально важные для биологической эволюции.
По понятным причинам, основные усилия сосредоточились на подтверждении полимеризации нуклеотидов и, в конечном счете, репликации РНК, катализируемой рибозимами, то есть ключевых процессов в гипотетическом первичном мире РНК. Результаты экспериментов, нацеленных на создание рибозимов-репликаз, до сих пор неоднозначны (Cheng and Unrau, 2010). Получены рибозимы, способные достраивать праймер после его гибридизации с матрицей (Johnston et al., 2001); на начальном этапе такие рибозимы могли действовать только путем спаривания части молекулы рибозима с матрицей, но затем были получены, путем дополнительного отбора, и общие рибозимы-полимеразы данного класса (Lincoln and Joyce, 2009). Результаты последнего прорыва в области рибозимов-полимераз были опубликованы в то время, когда окончательно редактировалась настоящая глава: рибозим-эндонуклеаза получена с использованием рибозима-полимеразы, в свою очередь построенной рекомбинацией двух уже существующих рибозимов, что в принципе представляет собой правдоподобный путь добиологической эволюции (Wochner et al., 2011). Невзирая на серьезные успехи, полученные до сих пор рибозимы-полимеразы все еще весьма далеки от достаточно точных (в смысле порога Эйгена) процессивных репликаз, способных катализировать репликацию экзогенных матриц и самих себя. Ферменты с такими свойствами, по всей видимости, являются conditio sine qua non для развития гипотетического мира РНК. Кроме того, даже имеющиеся рибозимы с ограниченными способностями РНК-полимераз довольно сложны: их молекулы состоят из приблизительно 200 нуклеотидов, и эволюция таких молекул в добиологических условиях была бы нетривиальной.
