Ученые из Кембриджского университета получили новые доказательства в пользу гипотезы РНК-мира. Оказалось, что небольшие аминокислотные цепочки, соединяясь с РНК, улучшают их каталитические свойства, позволяя им становиться менее зависимыми от токсичных ионов. А это необходимое условие для формирования первых клеток. «Лента.ру» рассказывает о работе, опубликованной в журнале Nature.
Согласно гипотезе РНК-мира, жизнь возникла из простой биологической системы, в которой не было ДНК и белковых молекул. Она состояла из комплексов РНК, способных не только хранить генетическую информацию, но и осуществлять катализ химических реакций (в этом случае они назывались рибозимами). Иными словами, они сочетали в себе функции ДНК и ферментов. Потом объединение РНК с пептидами и дезоксирибонуклеиновой кислотой привело к возникновению одноклеточных организмов. Возникает, однако, вопрос: в чем была выгода от взаимодействия между РНК-миром и белками?
Рибозимы, называемые РНК-полимеразами, как считается, составляли основное население РНК-мира. Они представляли собой репликаторы — объекты, способные самовоспроизводиться. Ресурсами для этого служили нуклеотиды в первичном бульоне. Вначале рибозимы с трудом копировали себя, поскольку их каталитические способности были не развиты. Они совершали ошибки, в результате чего возникали рибозимы с мутациями. Эти изменения могли лишить РНК-полимеразу способности к катализу, однако в некоторых случаях это качество, напротив, улучшалось. С течением времени рибозимы все быстрее и точнее воспроизводились, становились все более многочисленными и выигрывали конкуренцию за ресурсы.
Таким образом, рибозимы представляли собой первичные геномы, поскольку хранили в себе генетическую информацию о своей собственной последовательности. Позднее они инкапсулировались внутри частиц, образованных липидными мембранами, что привело к формированию первой протоклетки. Ученые умеют синтезировать аналоги РНК-полимеразного рибозима, которые катализируют синтез других рибозимов, или даже копировать короткие последовательности рибонуклеотидов. Однако получить рибозим-репликатор до сих пор не удается.
Рибосома Thermus thermophilus
Изображение: Public Domain / Wikimedia
Есть и другая проблема. Синтезированные в лабораториях рибозимы активны только при очень высоких концентрациях ионов магния, которые разрушают липидные мембраны. Это значит, что существует фундаментальная несовместимость между рибонуклеиновыми РНК-полимеразами и процессами формирования протоклеток.
Ситуацию спасает тот факт, что РНК-молекулы не были изолированы от многих других химических соединений, например пептидов. Рибозимы могли кооперироваться с аминокислотными последовательностями, что влияло на их функции. В пользу этого говорит и то, что активность таких рибозимов, как сплайсосомы (вырезают интроны из созревающей матричной РНК), рибосомы (участвуют в синтезе белков) и рибонуклеазы Р (катализируют деградацию РНК), зависит от родственных белков. Исследования показали, что некоторые белки, связывающиеся с рибозимами, вызывают изменения в их вторичной структуре и функциях. Так, в случае с рибонуклеазами Р белки могут снижать необходимую для их активности концентрацию ионов магния. Учитывая это, ученые решили выяснить, могут ли пептиды повлиять на функции РНК-полимеразных рибозимов похожим образом, уменьшив их зависимость от магния.
Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо выбрать не любые белки, а только те, что когда-то взаимодействовали с рибозимами РНК-мира. Ученые обратились к структуре рибосом, представляющих собой своего рода молекулярный реликт. Результаты исследований указывают на то, что рибосомы в их современном виде имелись уже у LUCA — общего предка всех современных форм жизни.
Строение субъединиц рибосомы Thermus thermophilus
Изображение: Philipp Holliger / Cambridge
В строении рибосомы, образованной белками, рибонуклеиновыми кислотами и ионами, записана ее эволюция. Так, основа большой рибосомной субъединицы обогащена ионами магния. Постепенно она обрастала дополнительными модулями, в которых ионы заменялись пептидами. По мнению ученых, связь между рибозимами и аминокислотными цепями отражает историю эволюции РНК-мира и его переход к РНК-пептидному миру. Именно поэтому было проанализировано действие пептидов из рибосом, которые считаются самыми древними белковыми последовательностями на Земле.
Исследователи определили множество пептидов из обеих субъединиц рибосомы бактерии Thermus thermophilus, что усиливали активность РНК-полимеразного рибозима Z, который осуществляет копирование РНК-молекул.
Изображение мембранных пузырьков, полученное с помощью флуоресцентной микроскопии
Изображение: MRC Laboratory of Molecular Biology / Cambridge / United Kingdom
Однако самым значительным действием обладал гомополимерный лизиновый декапептид (К10) — аминокислотная последовательность из десяти молекул лизинов. Он поддерживал функции рибозима при низких концентрациях ионов магния, образуя пептидно-рибозимный комплекс. Ученые предположили, что это обусловлено стабилизацией промежуточных веществ в каталитическом цикле.
Чтобы проверить, мог ли этот пептид способствовать активности рибозимов внутри мембранного компартмента, исследователи провели эксперимент. Были получены стабильные пузырьки, состоящие из фосфолипидов и диацилглицеринов, внутрь которых инкапсулировали РНК. При концентрации ионов магния 10 миллимоль (безопасной для мембраны) и при наличии К10 наблюдался синтез РНК, катализируемый рибозимом. В отсутствие магния синтеза, однако, не происходило.
Это указывает на то, что пептиды действительно позволяли рибозимам осуществлять каталитическую активность при низких концентрациях токсичных ионов. В результате зависимость РНК-полимераз от неорганических молекул уменьшалась, что способствовало их эволюции и, в конечном итоге, — эволюции клеток.