Новости химической науки > Рибозимы и РНК-мир: химия древней жизни

Гипотеза «РНК-мира» предполагает, что на заре возникновения жизни, примерно 4 миллиарда лет назад, РНК выполняла одновременно функции носителя генетической информации и катализатора биохимических реакций, предшествуя современной взаимозависимой триаде ДНК–РНК–белок. Термин был предложен Уолтером Гилбертом в 1986 году для описания гипотетической стадии, на которой белки ещё не участвовали в биохимических реакциях. Ключевым доказательством гипотезы стало открытие рибозимов — каталитических РНК, способных разрезать и лигировать фосфодиэфирные связи. Современные эксперименты по направленной эволюции in vitro позволили создать РНК-полимеразные рибозимы, копирующие практически любые РНК, что приближает учёных к воссозданию самовоспроизводящейся системы. Однако гипотеза сталкивается с серьёзными вызовами: сложностью пребиотического синтеза нуклеотидов и невозможностью достижения подлинной саморепликации РНК.

Современная жизнь основана на взаимозависимости трёх классов биополимеров: ДНК хранит генетическую информацию, РНК передаёт её, а белки выполняют каталитические и структурные функции. Эта система порождает фундаментальный парадокс происхождения жизни: для синтеза белков необходима ДНК, для синтеза ДНК необходимы белки-ферменты, а для синтеза РНК — и то, и другое.

В 1960–1970-х годах открытия, подчеркнувшие роль РНК в генетической репликации и переносе информации, включая РНК-зависимую РНК-полимеразу и обратную транскриптазу, заставили учёных задуматься о более широком значении РНК как в современных клетках, так и в ранней эволюции жизни. К середине 1980-х накопленные данные — открытие рибозимов и ключевая роль РНК в биологических системах — вылились в формулировку гипотезы РНК-мира.

Рибозимы — это молекулы РНК, обладающие каталитической активностью. Их открытие стало поворотным моментом в понимании роли РНК в клетке и происхождении жизни.

Каталитические РНК подразделяются на два класса в зависимости от размера и механизма реакции. Крупные каталитические РНК включают РНКазу P и интроны групп I и II; их размер варьирует от нескольких сотен до примерно 3000 нуклеотидов. Малые каталитические РНК включают «молотоголовые», «шпилечные» и другие саморасщепляющиеся структуры.

РНКаза P — повсеместный фермент, процессирующий 5′-концы предшественников тРНК. У эубактерий она существует как рибонуклеопротеиновый комплекс, состоящий из большой РНК (~350–400 нуклеотидов) и малого основного белка (~14 кДа). При этом сама РНК способна катализировать реакцию in vitro без белка.

Малые саморасщепляющиеся РНК обнаружены в вироидах, вирусоидах и сателлитных РНК растений, а также в сателлитных РНК саламандр, Neurospora и патогенных сателлитных вирусах человека.

Наблюдение, что область вокруг пептидилтрансферазного центра бактериальной 50S-субъединицы рибосомы содержит РНК, но не белок, дополнительно подтверждает гипотезу РНК-мира. Рибосома — это по сути гигантский рибозим, где каталитический центр состоит из РНК, а белки выполняют вспомогательную структурную роль.

Фраза «РНК-мир» была предложена Уолтером Гилбертом в 1986 году в комментарии к недавним наблюдениям каталитических свойств различных РНК. Она относилась к гипотетической стадии происхождения жизни на Земле, когда белки ещё не участвовали в биохимических реакциях, а РНК выполняла как задачу хранения генетической информации, так и полный спектр каталитических ролей, необходимых в примитивной самореплицирующейся системе.

Гилберт указал, что ни ДНК, ни белок не требуются в такой примитивной системе, если РНК может выступать в роли катализатора. В то время было продемонстрировано лишь то, что РНК способна разрезать или лигировать фосфодиэфирные связи. Тем не менее общая гипотеза, построенная на нескольких частных случаях, оказалась чрезвычайно эффективной для стимулирования мысли о происхождении жизни.

Последующие открытия других природных каталитических РНК, способных разрезать и лигировать фосфодиэфирные связи, а также методология «эволюции in vitro», позволяющая сканировать огромное количество последовательностей нуклеиновых кислот на любую заданную функцию, показали, что РНК действительно может обладать множеством различных каталитических функций.

Эксперименты по селекции in vitro показывают, что функциональные нуклеиновые кислоты могут возникать из библиотек случайных последовательностей. Даже простые последовательности и структурные мотивы могут оказаться устойчивыми связывающими видами и катализаторами, указывая на то, что возможен переход от самых ранних саморепликаторов к зарождающемуся метаболизму, катализируемому РНК.

Благодаря разнообразию аптамеров и рибозимов, которые могут быть отобраны, возможно построить «летопись окаменелостей» эволюции РНК-мира, где селектированные in vitro катализаторы заполняют пробелы для молекул, давно исчезнувших. Таким образом можно представить правдоподобный путь от простых олигонуклеотидных репликаторов к геномным полимеразам, как и путь от базальных рибозимных активностей к рибосоме.

В 2021 году группа под руководством Джеральда Джойса создала РНК-полимеразный рибозим 24-3, способный копировать практически любые РНК — от малых катализаторов до длинных РНК-ферментов. Этот рибозим также мог копировать РНК, которые он уже копировал, что позволяло амплифицировать присутствие определённых РНК в 10 000 раз. Это обеспечило первую РНК-версию полимеразной цепной реакции.

Несмотря на убедительность, гипотеза РНК-мира сталкивается с серьёзными вызовами.

В гипотезе РНК-мира есть серьёзные слабые места: крайне сложно синтезировать нуклеотиды в пребиотических условиях путём случайного комбинаторного процесса, а также трудно синтезировать РНК путём соединения нуклеотидов в отсутствие ферментов-катализаторов. Кроме того, экстремальные условия на примитивной Земле могли приводить к быстрой химической деградации РНК.

РНК-репликаза требует трёхмерной свёрнутой структуры для эффективного катализа, тогда как одноцепочечная РНК-матрица необходима для репликации. Однако одноцепочечные молекулы не являются каталитическими. Эти конфликтующие структурные требования ставят под сомнение возможность естественной саморепликации рибозимной молекулы. Никто до сих пор не достиг фактической саморепликации РНК.

Критика классической модели РНК-мира привела к появлению гипотезы рибонуклеопротеинового (RNP) мира, предполагающей, что жизнь возникла через молекулярные системы, включающие как РНК, так и белки. Исследования рибосомы дополнительно поддерживают эту идею, поскольку молекулярный код, связывающий нуклеиновые кислоты и пептиды, был необходим для возникновения жизни. Пептиды и липиды синтезировались легче, чем РНК, и могли инициировать неферментативный синтез РНК. В пребиотической среде пептиды и молекулы РНК, вероятно, возникли одновременно, возвещая пептидно/РНК-мир.

Гипотеза РНК-мира остаётся краеугольным камнем исследований происхождения жизни, несмотря на сохраняющиеся вызовы. Открытие рибозимов и их каталитических возможностей предоставило убедительные доказательства того, что РНК могла выполнять двойную роль — хранения информации и катализа — в примитивных системах. Современные эксперименты по направленной эволюции in vitro демонстрируют, что функциональные РНК-молекулы могут быть получены из случайных последовательностей, что делает сценарий РНК-мира всё более правдоподобным.

Однако вопросы о пребиотическом синтезе нуклеотидов, возможности истинной саморепликации и роли пептидов в ранней эволюции остаются открытыми. Наиболее вероятным представляется сценарий, в котором РНК и пептиды сосуществовали и взаимодополняли друг друга, формируя гибридные системы, которые в конечном итоге привели к современной жизни.