научная статья по теме В ПОИСКАХ НАЧАЛА ЭВОЛЮЦИИ Физика

Текст научной статьи на тему «В ПОИСКАХ НАЧАЛА ЭВОЛЮЦИИ»

В поисках начала эволюции

А.В.Марков

В настоящее время «творческие способности» дарвиновской эволюции хорошо известны биологам. Однако до сих пор ведется активный поиск ее стартовой точки, точнее, первого репликатора (от лат. repli-catio — возобновление, повторение), с появлением которого задача объяснения дальнейшего развития эволюционирующих систем принципиально упрощается. Как же без помощи естественного отбора мог появиться первый репликатор?

Репликаторы — это объекты, которые не только способны «размножаться» (производить собственные копии тем или иным способом, например путем химического катализа), но и должны обладать наследственной изменчивостью. Иными словами, копирование некоего объекта должно быть не абсолютным, но все же достаточно точным, чтобы в череде поколений устойчиво воспроизводились его свойства (причем не только «общеродовые», но и индивидуальные) и при этом какие-то из наследственных различий влияли бы на эффективность размножения.

Еще в 1968 г. американский микробиолог К.Везе впервые предположил, что жизнь могла возникнуть на основе самореплицирующейся РНК, а спустя два десятилетия его знаменитый соотечественник У.Гилберт, получивший в 1980 г. Нобелевскую премию по химии за метод сек-венирования ДНК, обосновал

© Марков А.В., 2015

Александр Владимирович Марков, доктор биологических наук, заведующий кафедрой биологической эволюции МГУ имМ.ВЛомоносова. Область научных интересов — теория биологической макроэволюции и математическое моделирование ее процессов. Известный популяризатор науки: автор многочисленных научно-популярных статей и книг, лауреат премии «Просветитель» (2011), создатель портала «Проблемы эволюции» и постоянный автор научно-просветительских сайтов «Элементы большой науки», «Антропогенез» и т.д.

гипотезу «мира РНК». К настоящему времени эта гипотеза стала наиболее экспериментально обоснованной моделью происхождения жизни из неживой материи (абиогенеза).

Одинокий рибозим

Во многие версиях теории РНК-мира предполагается, что первым репликатором был рибозим с РНК-полимеразной активностью, способный катализировать матричный синтез (репликацию) других молекул РНК, в том числе — собственных копий, примерно так, как это делают современные белковые ферменты-полимеразы.

Репликация РНК на заре жизни могла катализироваться не напрямую рибозимами, а некими «посредниками», например короткими пептидами (синтез которых, в свою очередь, мог катализироваться рибозимами), или РНК-пептидными комплексами. Возможно, эту функцию выполняли простейшие пептиды, состоящие из аминокислот, которые встречаются в космосе и легко получаются в экспериментах по абиогенному синтезу органики: глицина, аланина, валина, аспарагиновой кислоты, серина. О возможном строении таких «пребиотических» пептидов можно судить по устройству активных центров некоторых современных РНК-полиме-раз, где три отрицательно заряженных остатка аспарагиновой кислоты удерживают ион магния, играющий ключевую роль в катализе репликации РНК [1].

«Пребиотические» пептиды, которые предположительно могли катализировать репликацию РНК и другие реакции с участием фосфатных групп на заре жизни [1]. Структура пептидов реконструирована на основе строения активных центров современных РНК-полимераз. Слева вверху и внизу синим цветом выделен пептид DFDGD (Asp-Phe-Asp-GLy-Asp), удерживающий один или два иона Mg2+ (синие шарики) при помощи трех отрицательно заряженных остатков аспарагиновой кислоты, красным — молекула РНК, розовым — ДНК, желтым — ГТФ. Справа вверху желтым цветом отмечен пептид DGDGD (Asp-GLy-Asp-GLy-Asp) с ионом Zn2+ (желтый шарик), вступающий в связь с глюкозо-1-фосфатом (красный), внизу — синим показан пептид DAKVGDGD (Asp-ALa-Lys-VaL-GLy-Asp-GLy-Asp) с двумя ионами Mg2+, взаимодействующий с АТФ (красная).

Однако предположение о существовании молекул РНК, умеющих самовоспроизводиться без посредников, кажется более простым и потому заманчивым.

У современных организмов таких рибозимов нет. Это неудивительно: их давно должны были вытеснить более эффективные белковые полиме-разы. Поэтому ученые пытаются получить их искусственно, сочетая методы «искусственной эволюции» и целенаправленного проектирования. В первом случае синтезируют много РНК со случайными последовательностями, отбирают из них обладающие нужным свойством хотя бы в минимальной степени, вносят случайные мутации, снова отбирают и т.д. При целенаправленном проектировании секвенируют получившийся на каком-то этапе «искусственной эволюции» рибозим, анализируют его структуру. Затем необходимо решить, как его можно усовершенствовать (что лишнее отрезать, что добавить), исходя из знаний о связи свойств молекулы РНК с ее структурой.

В необъятном пространстве последовательностей всех возможных молекул РНК уже найдены рибозимы, способные катализировать матричный синтез РНК — правда, с низкой эффективностью. В роли матрицы в экспериментах вы-

ступает одиночная нить РНК, на которой из активированных нуклеотидов последовательно синтезируется комплементарная нить. Лучшие из полученных рибозимов-полимераз способны реплицировать матрицы длиной до 206 нуклео-тидов, что превышает длину самого рибозима [2]. Удалось продемонстрировать синтез функционального рибозима (с иной каталитической активностью и меньшего размера) с помощью ри-бозима-полимеразы [3].

Судя по результатам подобных опытов, рибо-зим-полимераза должен быть довольно большим (100—200 нуклеотидов). Спонтанное возникновение такой молекулы без дарвиновского механизма маловероятно. Е.В.Кунин в своей выдающейся книге «Логика случая» попытался рассчитать, мог ли случайно собраться такой рибозим хотя бы на одной планете (если предположить, что на всех планетах земного типа шел спонтанный синтез РНК со случайными последовательностями), и ему лишь с большими натяжками хватило для этого размеров наблюдаемой Вселенной [4].

Рибозим-полимераза, без посторонней помощи реплицирующий свои копии, должен быть еще и довольно точным, чтобы избежать необратимой мутационной деградации: он должен де-

лать не более одной-двух ошибок за акт репликации. Если его длина 100—200 нуклеотидов, это соответствует частоте мутаций около 0.01.

Те рибозимы-полимеразы, которые уже удалось получить, близки к этому минимально допустимому уровню точности. Однако они не могут реплицировать сами себя. Их главный недостаток — сильная зависимость эффективности репликации от последовательности нуклеотидов в матрице. В отличие от белковых полимераз, ри-бозимам-полимеразам не все равно, какие нуклеотиды и в каком порядке стоят в копируемой матрице. Поэтому далеко не всякая матрица может быть реплицирована данным рибо-зимом.

Рибозимы-полимеразы наверняка будут в дальнейшем усовершенствованы. Например, недавно выяснилось, что их искусственную эволюцию удобно

Схема взаимной репликации левых (L) и правых (D) рибозимов, которая могла происходить на заре жизни (doi:10.1038/nature13935). Левый рибозим (L-Ribo-zyme) сшивает (лигирует) правые олигонуклеотиды (D-oLigonucLeotide), присоединившиеся к комплементарной правой матрице (D-Template). В результате образуется двойная спираль из двух комплементарных нитей правой РНК (Duplex D-product). Затем она расплетается на две нити (Strand separation), одна из которых (D-Ribozyme) катализирует соединение левых олигонуклеотидов (L-Oligonucleotide) на левой матрице (L-Template). После разделения нитей получившегося L-дуплекса образуется левый рибозим.

вести во льду; это позволило сильно улучшить прежние показатели [2]. Еще одно недавнее достижение — получение короткого (всего 83 нуклеотида!) рибозима — кросс-хираль-ной РНК-полимеразы [5]. Этот рибозим, состоящий из «правых» нуклеотидов (из них состоят все молекулы РНК в клетках; правые нуклеотиды со-

держат правый энантиомер рибозы), способен катализировать репликацию собственной зеркальной копии — такого же рибозима, только сделанного из левых нуклеотидов. Левый рибозим, в свою очередь, может катализировать репликацию исходного правого рибозима. Замечательно,

aAgCÜAÜCCoh

I I I I I I I

cgcgauagg—

pppGACUGGUC | I I | | I I I

CUGACCAG 5'

N,

5' С

□ СС 3'

З'ССС

67 nt

6 nt

□ 5'

\

5' GCCUAUCC0H

I I I I I I I I

3' CGGAUAGG —

pppGACUGGUC^^© I t I I I t t 1

CUGACCAG 5'

A A G A

C-G U-A G-Cso -toG-C A-Ü

AC.

60 AGA A A

A Oil

1 ^ G

и uAV

A U,

A

G G A

A G.

G~i0

A^U^-GA

CA70 С

gg.c

G-g A A

20

uu'

G A G

G-C

C-Gao

U-A

G-C

G-C

5' 3'

Молекулярные конструкции, использовавшиеся в первых 10 поколениях отбора (о), последующих шести поколениях (б) и полученный в итоге рибозим — кросс-хиральная РНК-полимераза (в) [5]. Эволюционирующая молекула D-РНК (черная линия внизу рисунка о) состоит из двух фиксированных участков по краям и случайной последовательности из 70 нуклеотидов в середине (N70). Волнистой линией обозначен химический «мостик», изогнутой стрелкой — место лигирования, где D-РНК сшивает олигонуклеотид с праймером (ррр — три отстатка фосфорной кислоты на 5'-конце олигонуклеотида). Синим цветом выделены молекулы L-РНК: матрица с праймером и олигонуклеотид GACUGGUC с молекулой биотина («B» в черном круге); зеленым — дополнительная вставка из 30 случайных нуклеотидов (N30).

а

в

б

что кросс-хиральные РНК-полимеразы оказались более универсальными, чем их «коллеги», работающие с субстратами той же хиральности: их эффективность почти не зависит от последовательности нуклеотидов в матрице. Причина в том, что молекулы РНК разной хиральности не образуют друг с другом уотсон-криковских связей, основанных на принципе комплементарности. Поэтому кросс-хиральным полимеразам приходится узнавать свой субстрат и взаимодействовать с ним благодаря своей третичной, а не первичной структуре, что и приводит к ослаблению зависимости их эффективности от последовательности нуклеотидов в матрице.

Безусловно, главная трудность, связанная с идеей о рибозиме-полимеразе в роли первого репликатора, состоит в том, что его спонтанное появление слишком маловероятно. Гипотеза о том, что большая функциональная молекула получилась «просто так», без эволюции, без отб

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»