В начале была... рибонуклеиновая кислота

    Недавно ученые смогли создать рибонуклеиновую кислоту (РНК), способную создавать свою собственную копию. До этого никогда прежде этим молекулам не удавалось наладить свое собственное воспроизводство. Это открытие является первым экспериментальным доказательством весьма популярной теории о происхождении жизни, получившей название "мир РНК".

    Из школьного курса биологии мы помним, что большинство важнейших процессов организма регулируется белками. Эти белки производятся самими клетками в том количестве, которое необходимо в конкретный момент времени (кстати, белки "извне" организм вообще не использует). Информация о том, как каково должно быть строение каждого белка записано в виде последовательности азотистых оснований (нуклеотидов) в определенных участках молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), хранящейся в ядре клетки. Именно эти участки неспециалисты называют генами (хотя это не совсем так, у гена, кроме информативной части, есть еще и "служебная", не несущая информации о строении белка). Прочитать же эту информацию, а тем более, создать на ее основе белок, весьма непросто.

    ДНК обычно пребывает в форме двойной закрученной спирали, но именно в таком состоянии с нее ничего прочесть нельзя. Поэтому перед считыванием специальные белки расплетают ее (примерно так же, как парикмахер с помощью щипцов расплетает вьющиеся волосы), после чего другие белки снимают с гена копию. Но эта копия существует не в виде ДНК, а виде одноцепочечной молекулы РНК, последовательность нуклеотидов которой полностью повторяет таковую в гене.

    Далее, после некоторых модификаций РНК-овый "чертеж белка" отправляется в "сборочный цех" — специальные клеточные органеллы, называемые рибосомами. Они расположены не в ядре, а за его пределами, в цитоплазме. В рибосомах этот "чертеж" сразу же пускают в производство — на основе сообщенной информации, заключенный в последовательности нуклеотидов начинается синтез белка из аминокислот (как мы помним, каждой аминокислоте соответствует кодон — группа из трех нуклеотидов). Как только синтез белка заканчивается, "чертеж" сразу же уничтожается, то есть разрезается специальными белками на отдельные нуклеотиды, которые затем переправляют обратно в ядро. При надобности потом из них соберут новую РНК.

    Итак, белок отвечает за регуляцию всех процессов, а ДНК хранит информацию об их строении. При этом, как вы понимаете, одно вещество без другого не может — если нет ДНК, как клетка узнает о том, как собирать белки, а если нет белка, то наследственную информацию невозможно будет прочитать. В связи с этим те, кто занимается проблемой происхождения жизни, постоянно задавали себе один и тот же вопрос — что же в процессе эволюции появилось раньше, белок или ДНК?

    Этот вопрос, аналогичный проблеме курицы и яйца, долгое время вообще не имел даже теоретического ответа. Более того, все эксперименты показали, что самосборка белка без участия ДНК (и РНК) практически невозможна. Точно также не происходит самопроизвольный синтез ДНК без участия специфических белков. Поэтому предположение о том, что белок и ДНК появились независимо, а потом вдруг встретились, подружились и стали вместе работать, увы, абсолютно неправдоподобно.

    Однако в последнее время многие ученые считают, что в начале, когда в примитивных организмах еще не было ни ДНК, ни белков, их функции выполняла молекула РНК. Она являлась и хранителем информации, и регулятором всех важных процессов. При этом она могла сама себя копировать для того, что бы наследственная информация передавалась потомкам. Данная гипотеза получила название "мира РНК".

    Что и говорить, гипотеза достаточно красивая, однако есть ли у нее какие-нибудь доказательства? Что касается каталитической активности РНК, то о ней было известно достаточно давно. Такие регуляторные РНК называют рибозимами. Хотя они достаточно редко встречаются в клетках, тем не менее, эти активные РНК очень важны для существования последних. Например, активная часть рибосомы, в которой собирается белок из аминокислот, является рибозимом. Именно он осуществляет сшивание отдельных аминокислот в белковую цепочку.

    Однако может ли такой рибозим катализировать сборку своей собственной копии без помощи других веществ? Долгое время ученые пытались создать такую РНК искусственно. Результаты, как правило, были не очень-то обнадеживающие — долгое время эти молекулярные "Франкенштейны" могли воспроизвести лишь последовательность из 14 нуклеотидов (а ведь самая маленькая РНК вирусов содержит их несколько сотен). Кроме того, эти рибозимы оказались весьма капризными — они копировали далеко не все собственные последовательности, а лишь те, которые им по каким-то причинам нравились больше.

    И вот недавно Филип Холлигер из Кембриджского университета (Великобритания) решил улучшить подобную РНК. Он и коллеги проверили тысячи вариантов различных рибозимов на способность к длительному копированию, потом отобрали несколько самых эффективных вариантов и создали из них "суперрибозим", который назвали tC19Z. После чего новое вещество было подвергнуто испытанию, в результате которого ему было предложено создать свою собственную копию.

    В результате рибозиму удалось воспроизвести последовательность РНК, состоящую из 95 нуклеотидов. Несмотря на то, что какие-то последовательности он копировал лучше, какие-то — хуже, в целом tC19Z был куда менее "привередливым", чем его предшественники. Но что более важно — длина копируемых рибозимом кусков составляют почти половину его собственной длины.

    Итак, впервые была получена молекула РНК, обладающая каталитической активностью, которая смогла достаточно точно скопировать саму себя примерно наполовину. Правда, для того, что бы окончательно доказать справедливость теории "мира РНК", то нужно получить фермент, способный воспроизвести себя полностью. Однако, судя по всему, подобное уже не за горами. А пока же сам факт того, что можно получить молекулу РНК хотя бы с половиной требуемой мощности, делает РНК-теорию о возникновении жизни на Земле всё более достоверной.

    Согласно этой теории, первые РНК появились в результате самосборки (подобное, как показывают эксперименты, вполне возможно в бескислородных условиях), и были очень короткими. Они, обладая каталитической активностью, выполняли функции регуляторов всех процессов в первичных организмах, и, храня информацию о своем строении, могли создавать свои собственные копии, передававшиеся потомкам. Постепенно РНК становились более длинными, и, в какой-то момент смогли синтезировать более совершенные и универсальные регуляторы — белки. После чего уступили им часть своих обязанностей, оставив себе лишь почетное право хранить наследственную информацию (у некоторых современных вирусов РНК до сих пор занимается именно этим).

    Далее, возможно в результате ошибок при копировании в некоторых потомках РНК одни вещества оказались заменены на другие (сахар рибоза — на дезоксирибозу, азотистое основание урацил — на похожий на него тимин). В результате появилось ДНК, которая, благодаря своей способности образовывать двойную спираль, оказалось лучшим хранителям наследственной информации (она более устойчива к мутациям, чем одноцепочечная РНК). Так РНК распростилась со своей другой исходной функцией, и, предав новому веществу все заботы о хранении наследственной информации, сохранилась лишь как посредник между ДНК и белком. В этой роли она пребывает и по сей день во всех живых клетках…