Мир РНК

Мы остановились на деталях строения РНК неслучайно. В конце ХХ века произошёл очередной переворот в теории возникновения жизни, „виновницей“ которого как раз и стала эта молекула, до того времени казавшаяся тщательно изученной и достаточно предсказуемой.

Началась эта история в 70-х годах ХХ века, когда в клетках некоторых организмов были обнаружены необычные ферменты: они включали в свой состав кроме белка ещё и молекулу РНК. В конце 70-х годов американские биохимики Томас Чек и Сидни Альтман независимо друг от друга изучали структуру и функции таких ферментов. Одной из задач было выяснение роли РНК, входящей в их состав. Вначале, следуя общепринятому мнению, учёные полагали, что молекула РНК является в таких комплексах лишь вспомогательным элементом, отвечающим, может быть, за построение правильной структуры фермента или за правильную ориентацию при взаимодействии фермента и субстрата (то есть той молекулы, которая и подвергается изменению), а саму катализируемую реакцию выполняет белок.

Для того чтобы прояснить ситуацию, исследователи отделили белковую и РНК составляющие друг от друга и исследовали их способности к катализу. К своему огромному удивлению, они заметили, что даже после удаления из фермента белка оставшаяся РНК была способна катализировать свою специфическую реакцию. Такое открытие означало бы переворот в молекулярной биологии: ведь раньше считалось, что к катализу способны лишь белки, но никак не нуклеиновые кислоты.

Но, может быть, всё дело в неэффективной очистке РНК, при которой на ней всё же остаётся какой-то неуловимый, минимальный кусочек белка, способный осуществлять катализ?

Двумерная пространственная структура рибозима простейшего организма Tetrahymena. Участки РНК, обозначенные оранжевым цветом, комплементарны, и потому они взаимодействуют друг с другом, образуя короткие двойные цепочки. Дальние взаимодействия участков РНК, приводящие к формированию более сложной трёхмерной пространственной структуры рибозима, выделены голубым цветом. Некомплементарные участки цепи РНК отмечены зелёным цветом. Удивительное свойство рибозима состоит в том, что он способен к автокаталитическому вырезанию самого себя из более длинной молекулы РНК. Участки, остающиеся после такого автокаталитического расщепления РНК, окрашены на рисунке в серый цвет.

Последним, самым убедительным доказательством способности РНК к катализу стала демонстрация того, что даже искусственно синтезированная РНК, входящая в состав изучаемых ферментов, может самостоятельно катализировать реакцию.

Молекулы РНК, способные к катализу, были названы рибозимами (по аналогии с энзимами, то есть белковыми ферментами). За их открытие в 1989 году Чек и Альтман были удостоены Нобелевской премии по химии.

Эти результаты не замедлили сказаться на теории происхождения жизни: „фаворитом“ стала молекула РНК. В самом деле, была обнаружена молекула, способная нести генетическую информацию и вдобавок к этому катализировать химические реакции! Более подходящего кандидата для зарождения доклеточной жизни трудно было представить.

Сценарий развития жизни преобразовался. Вначале, по новой гипотезе, в условиях молодой Земли спонтанно появились короткие цепочки молекул РНК. Некоторые из них, опять же спонтанно, приобретали способность к катализу реакции собственного воспроизведения (репликации). Из-за ошибок при репликации некоторые из дочерних молекул отличались от материнских и обладали новыми свойствами, например, могли катализировать другие реакции.

Схематическое изображение рибосомы — молекулярной машины для синтеза белка. Последовательность из трёх нуклеотидов кодирует определённую аминокислоту. Рибосома „считывает“ код и присоединяет нужную аминокислоту к строящейся пептидной цепочке. На рисунке аминокислоты обозначены буквами: М — метионин, R — аргинин, S — серин.

Ещё одно важнейшее свидетельство того, что „вначале была РНК“, принесли исследования рибосом. Рибосомы — структуры в цитоплазме клетки, состоящие из РНК и белков и отвечающие за синтез клеточных протеинов. В результате их изучения было выявлено, что у всех организмов именно РНК, находящаяся в каталитическом центре рибосом, отвечает за главный этап в сборке белков — соединение аминокислот между собой. Открытие этого факта ещё более упрочило позиции сторонников РНК-мира. Действительно, если спроецировать современную картину жизни на её возможное начало, разумно предположить, что рибосомы — структуры, специально существующие в клетке, чтобы „расшифровывать“ код нуклеиновых кислот и производить белок, — появились когда-то как комплексы РНК, способные к соединению аминокислот в одну цепочку. Так на основе мира РНК мог появиться мир белков.

Совсем недавно были сделаны наблюдения, приведшие к ещё одной сенсации. Оказывается, РНК не только катализирует химические реакции, но и защищает клетки растений и низших животных от вторжения вирусов. Эту функцию выполняет особый класс РНК — так называемые короткие, или малые, РНК, названные так потому, что их длина обычно не превышает двадцати одного „звена“-нуклеотида. У высших животных, например у млекопитающих, малые РНК также не остаются без работы и могут участвовать в регуляции считывания генной информации с хромосом. (Подробнее о малых РНК, открытие которых в 2002 году, по мнению одного из ведущих научных журналов — „Science“, стало „прорывом года“, можно почитать на сайте российской Научной Сети www.nature.ru.)

Как видим, имеется много достаточно веских теоретических доводов, чтобы считать молекулу РНК основоположницей жизни на Земле. В 1989 году нобелевский лауреат по химии Уолтер Гилберт, придумавший в своё время один из первых методов „побуквенного чтения“ (секвенирования) ДНК, ввёл в оборот выражение „мир РНК“, имея в виду полноценный, самостоятельный и способный к эволюции мир доклеточной жизни.

Однако всё ли так безоблачно и ясно в гипотезе о „мире РНК“? Ситуация перестанет казаться столь однозначной, как только мы немного углубимся в детали…