Евгений Кунин - Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции
10. Следующим шагом в эволюции системы трансляции могло быть физическое отделение матричной цепи M от RS, в результате чего произошло дальнейшее разделение функций кодирования и катализа. В этот момент нить M освобождается от эволюционных ограничений, связанных с функциями катализа и связывания в первичной трансляции, поскольку эти функции перешли на физически различные молекулы РНК RL и RS и прото-тРНК. Единственным требованием к M остается ее способность принимать растянутую конформацию для размещения спаренных оснований кодона и антикодона при связывании аминоацил-T РНК. Эволюционные преимущества такого разделения очевидны: промежуточный ассоциат RSRL (который, на данный момент, можно обоснованно назвать проторибосомой) в присутствии в ячейке различных олиго– и полинуклеотидов обеспечит синтез все большего разнообразия пептидов, расширяя, таким образом, каталитические возможности ансамбля. Кроме того, этот шаг позволяет отбору действовать в сторону увеличения потенциала репликации (в частности, появления высокоспецифичных сайтов узнавания репликазы) тех видов M, которые кодируют полезные пептиды, приводя к повышению концентрации этих видов РНК в ячейке. По сути дела, в эгоистичном кооперативе запускается разновидность цикла Дарвина – Эйгена.
11. Освобождение (прото)тРНК из RSRL при транспептидации вызывает трехнуклеотидный сдвиг, характерное движение современной рибосомы, позволяющее синтезировать длинные пептиды, или, фактически, первые белки. Это и есть белковый прорыв.
В соответствии с таким эволюционным сценарием путь от белкового прорыва к трансляционной системе современного типа есть по большей части история принятия на себя белками функции первичных рибозимов. Каталитические возможности и способности к связыванию у белков несравненно выше, нежели у РНК и пептидов, и в процессе эволюции они постепенно, но необратимо вытеснили в этом качестве первичные рибозимы.
Теперь нам предстоит рассмотреть существенно иную эволюционную модель, первоначально обрисованную Анатолием Альтштейном (Altstein, 1987), а затем независимо и более полно разработаную Энтони Пулом и соавторами (Poole et al., 1998). В этой модели рибосомы и механизм трансляции производятся от древнего рибозима-репликазы. В модели постулируется, что проторибосома изначально функционировала как «трипликаза», сложный рибозим, объединяющий функции РНК-полимеразы и РНК-лигазы и синтезировавший молекулы РНК, комплементарные матрице, тринуклеотидными шагами. Эта «трипликазная» проторибосома способствует сборке тРНК-подобных молекул (аналогично РНК T в предыдущей модели) на матрице РНК путем спаривания оснований (прото)антикодонов с комплементарными триплетами (кодонами) матрицы, отщепления остальной пре-тРНК и соединения (лигирования) соседних триплетов. Пул с соавторами считают правдоподобным механизм репликации на основе комплементарного взаимодействия тринуклеотидов (в противоположность мононуклеотидам) с матрицей, поскольку каталитическая эффективность рибозимов мала. Комплекс РНК-матрицы с комплементарным тринуклеотидом будет сохраняться намного дольше, чем комплекс с мононуклеотидом, оставляя трипликазе больше возможностей лигировать соседние триплеты. Механизм трипликазы кажется особенно правдоподобным в свете опытов Фредерика и Ноллера, показавших, что мРНК пропускается через рибосому трехнуклеотидными шагами, с согласованным движением тРНК, но без участия трансляционных факторов (Frederick and Noller, 2002).
Переход от трипликазы к современному типу трансляционно-репликационной системы требует нескольких сложных этапов, а именно появления генетического кода (в данном случае на уровне аминокислотной избирательности прото-тРНК) и обратной связи между трансляцией и репликацией РНК (происхождение белковых РНК-полимераз или белковых кофакторов рибозима-полимеразы). Кроме того, необходима субфункционализационная стадия, на которой трипликаза порождает отдельные проторибосомы и репликазы, а последняя переходит от лигирования триплетов к обычному механизму репликации с присоединением нуклеотидов по одному.
Скептический обзор моделей эволюции репликации и трансляции
В предыдущих разделах мы обрисовали современное состояние гипотезы мира РНК и подробнее обсудили происхождение репликации и трансляции. Зададимся теперь простым прямым вопросом: убедительны ли имеющиеся свидетельства в поддержку любой из этих моделей. Само собой, вопрос уже подразумевает отрицательный ответ. У нас есть определенные косвенные указания, пусть даже и далекие от полного согласованного сценария самых ранних этапов эволюции передачи биологической информации. Во-первых, не будем забывать о логической неизбежности мира РНК: какой еще могла быть отправная точка эволюции системы трансляции? Во-вторых, сравнительный анализ составных частей системы трансляции, несомненно, указывает на гораздо большую роль РНК в древней трансляции по сравнению с современной системой, в частности что РНК играла решающую роль в установлении соответствия аминокислот кодонам. В-третьих, рибозимы впечатляют своей каталитической универсальностью и эффективностью (хотя и уступают в этом белкам). Тридцать лет назад не было известно ни одной каталитической функции молекул РНК, а теперь описаны десятки видов активности рибозимов, включая некоторые из ключевых реакций трансляции, такие как высокоэффективное аминоацилирование.
На этом, к сожалению, хорошие новости заканчиваются, а остальное напоминает скорее отрезвляющий ледяной душ. Невзирая на все достижения «рибозимологии», ни одна рибозим-полимераза даже не приближается к уровню эффективности, который необходим, чтобы всерьез рассматривать репликаторные системы, состоящие из одних РНК, в качестве ключевого промежуточного звена в эволюции жизни. Ни один рибозим не способен катализировать синтез нуклеотидов или даже сахаров, входящих в их состав. Даже если мы закроем глаза на эти проблемы, путь от предполагаемого мира РНК к системе трансляции невероятно труден. Общие представления касательно функций абиогенных аминокислот и, возможно, пептидов в мире РНК, такие как роль кофакторов рибозимов (см. обсуждение в предыдущих параграфах), оказываются плодотворными и совместимы с экспериментальными данными. Тем не менее разбиение эволюции системы трансляции на последовательные шаги, каждый из которых давал бы биологически объяснимое селективное преимущество, чрезвычайно затруднительно даже в качестве спекулятивной схемы, не говоря уже об экспериментальной проверке. Гипотезы трипликазы и проторибосомы привлекательны как попытка одновременно объяснить происхождение репликации и трансляции в одном цикле, но реалистичен ли подобный сценарий? Сама трипликаза должна быть чрезвычайно сложной, замысловатой молекулярной машиной, и это вызывает подозрение, что, невзирая на всю ее привлекательность, трипликаза может быть не самым правдоподобным решением вопроса о происхождении трансляции.
Итак, принимая во внимание все соображения, моя оценка текущего состояния дел в области изучения происхождения репликации и трансляции довольно мрачна. Несмотря на содержательные теоретические модели и наводящие на размышления экспериментальные результаты, мы в настоящее время не имеем правдоподобного решения этих вопросов и даже не видим пути к такому решению. Конечно, область исследования рибозимов молода, и есть основания ожидать, что достаточно скоро в ней будет достигнут значительный прогресс. Тем не менее ближе к концу этой главы мы обсудим радикальную альтернативу. Сначала, однако, мы должны рассмотреть область самой науки о происхождении жизни, и прежде всего ее химические, геологические и геохимические аспекты. Самоочевидно, что в столь кратком разделе мы будем весьма поверхностны и очертим лишь некоторые ключевые идеи и наработки.
Происхождение жизни с точки зрения химии и геохимии
Происхождение жизни сделалось научной проблемой с тех пор, как Луи Пастер продемонстрировал невозможность самопроизвольного зарождения живых форм. По удивительному совпадению, результаты его экспериментов были опубликованы в 1859 году, в тот же год, когда Дарвин издал «Происхождение видов…», где, в числе других основополагающих идей, предложил и гипотезу об общем предке всех живых организмов. По-видимому, первое последовательное представление о происхождении жизни было изложено в 1924 году русским биохимиком Александром Ивановичем Опариным в виде популярной брошюры (Oparin, 1924), впоследствии многократно переизданной в постоянно расширяемых вариантах (Oparin and Fesenkov, 1956). Сценарий Опарина был наивным и мало обоснованным (при менее доброжелательном отношении его даже можно назвать химически несостоятельным), но он включал некоторые ключевые положения, которые принимаются в области происхождения жизни и по сей день[130]. Центральное предположение Опарина состояло в том, что среда, в которой возникла жизнь (предположительно примитивный океан в целом, но, возможно, и какая-то разновидность дарвиновского «теплого пруда»), представляла собой сложный раствор абиогенных органических молекул, включая аминокислоты и сахара, – все мономеры, необходимые для синтеза биополимеров. Опарин назвал эту гипотетическую среду, породившую жизнь, первичным бульоном (или супом). Подобный сценарий возникновения жизни был предложен позже в статье Дж. Б. С. Холдейна, уже цитированной в главе 11 по поводу гипотезы о «вирусной» стадии, предшествовавшей появлению первых клеток (Haldane, 1928). Опарин и Холдейн утверждали, что атмосфера первичной Земли была восстановительной и что первыми организмами были анаэробные гетеротрофы, питавшиеся смесью мономеров, изобиловавших в гипотетическом первичном бульоне.
