Oparins protein-koacervatteori.

Idag finns det många olika teorier om livets ursprung på jorden. Men kanske, den första vetenskapliga, väl genomtänkta teorin om livets ursprung med abiogena medel föreslogs av biokemisten A.I. Oparin tillbaka på 20-talet av förra seklet. Teorin byggde på idén att allt började med proteiner, och på möjligheten, under vissa förhållanden, till spontan kemisk syntes av proteinmonomerer - aminosyror - och proteinliknande polymerer (polypeptider) abiogent. Publiceringen av teorin stimulerade många experiment i ett antal laboratorier runt om i världen, som visade verkligheten av sådan syntes under artificiella förhållanden. Teorin blev snabbt allmänt accepterad och extremt populär.

Dess huvudsakliga postulat var att proteinliknande föreningar som spontant uppträdde i den primära "buljongen" kombinerades till koacervatdroppar - separata kolloidala system (soler) som flyter i en mer utspädd vattenlösning. Detta gav huvudförutsättningen för uppkomsten av organismer - isoleringen av ett visst biokemiskt system från miljö, dess uppdelning. Eftersom vissa proteinliknande föreningar av koacervatdroppar kunde ha katalytisk aktivitet, blev det möjligt att genomgå biologiska kemiska reaktioner syntes inuti dropparna - ett sken av assimilering uppstod, vilket innebär tillväxten av koacervatet med dess efterföljande sönderfall i delar - reproduktion. Ett assimilerande, växande och reproducerande koacervat genom delning ansågs vara en prototyp av en levande cell (Fig. 1).

Figur 1. Schematisk representation av livets ursprung

enligt protein-koacervatteorin av A.I. Oparina.

Allt var väl genomtänkt och vetenskapligt underbyggt i teorin, förutom ett problem, som nästan alla specialister inom området för livets ursprung blundade för länge. Om spontant, genom slumpmässiga mallfria synteser, enstaka framgångsrika design av proteinmolekyler uppstod i koacervatet (till exempel effektiva katalysatorer som ger en fördel för ett givet koacervat i tillväxt och reproduktion), hur skulle de då kunna kopieras för distribution inom koacervat, och ännu mer för överföring till efterkommande koacervat? Teorin visade sig inte kunna erbjuda en lösning på problemet med exakt reproduktion - inom ett koacervat och i generationer - av enstaka, slumpmässigt uppträdande effektiva proteinstrukturer.

RNA-världen som en föregångare modernt liv.

Ackumuleringen av kunskap om den genetiska koden, nukleinsyror och proteinbiosyntes ledde till godkännandet av en fundamentalt ny idé att allt började inte med proteiner, utan med RNA. Nukleinsyror är den enda typen av biologiska polymerer vars makromolekylära struktur, tack vare komplementaritetsprincipen under syntesen av nya kedjor, ger förmågan att kopiera sin egen linjära sekvens av monomerenheter, med andra ord förmågan att reproducera (replikera) polymeren och dess mikrostruktur. Därför endast nukleinsyror, men inte proteiner, kan vara genetiskt material, det vill säga reproducerbara molekyler som upprepar sin specifika mikrostruktur över generationer.

Av ett antal anledningar var det RNA, och inte DNA, som kunde representera det primära genetiska materialet.

För det första, i både kemisk syntes och biokemiska reaktioner, föregår ribonukleotider deoxiribonukleotider;

Deoxiribonukleotider är modifieringsprodukter av ribonukleotider.

För det andra, i de äldsta, universella processerna för vital metabolism, är det ribonukleotider, och inte deoxiribonukleotider, som är brett representerade, inklusive de viktigaste energibärarna som ribonukleosidpolyfosfater (ATP, etc.).

För det tredje kan RNA-replikation ske utan deltagande av DNA, och mekanismen för DNA-replikation, även i den moderna levande världen, kräver obligatoriskt deltagande av en RNA-primer i initieringen av DNA-kedjesyntes.

För det fjärde, samtidigt som RNA har samma mall och genetiska funktioner som DNA, kan RNA också utföra ett antal funktioner som är inneboende i proteiner, inklusive katalysera kemiska reaktioner. Det finns alltså all anledning att betrakta DNA som ett senare evolutionärt förvärv – som en modifiering av RNA, specialiserat för att utföra funktionen att reproducera och lagra unika kopior av gener som en del av det cellulära genomet utan direkt deltagande i proteinbiosyntesen.

Efter upptäckten av katalytiskt aktiva RNA fick idén om RNAs företräde i livets ursprung en stark drivkraft till utveckling, och konceptet med en självförsörjande RNA-värld som föregick det moderna livet formulerades. Ett möjligt schema för uppkomsten av RNA-världen visas i fig. 2.

Fig.2. Schematisk representation av vägen till livets ursprung enligt det moderna konceptet om RNA-världens företräde.

Abiogen syntes av ribonukleotider och deras kovalenta association till oligomerer och polymerer såsom RNA kunde ske under ungefär samma förhållanden och i samma kemiska miljö som antogs för bildandet av aminosyror och polypeptider. Nyligen har A.B. Chetverin och hans kollegor (Institute of Protein, Russian Academy of Sciences) visade experimentellt att åtminstone vissa polyribonukleotider (RNA) i en normal vattenmiljö är kapabla till spontan rekombination, det vill säga utbyte av kedjesegment, genom trans-esterifiering. Utbytet av kortkedjiga segment mot långa bör leda till förlängning av polyribonukleotider (RNA), och sådan rekombination i sig bör bidra till den strukturella mångfalden av dessa molekyler. Katalytiskt aktiva RNA-molekyler kan också uppstå bland dem.

Även det extremt sällsynta uppträdandet av enstaka RNA-molekyler som kunde katalysera polymerisationen av ribonukleotider eller sammanfogningen (skarvningen) av oligonukleotider på en komplementär sträng som en mall innebar upprättandet av en RNA-replikationsmekanism. Replikering av själva RNA-katalysatorerna (ribozymer) borde ha resulterat i uppkomsten av självreplikerande RNA-populationer. Genom att producera kopior av sig själva multiplicerade RNA:n. Oundvikliga fel i kopiering (mutation) och rekombination i självreplikerande RNA-populationer skapade en alltmer mångfaldig värld. Således är den föreslagna antika RNA-världen "en självförsörjande biologisk värld där RNA-molekyler fungerade både som genetiskt material och som enzymliknande katalysatorer."

Uppkomsten av proteinbiosyntes.

Vidare, baserat på RNA-världen, bildandet av proteinbiosyntesmekanismer, uppkomsten av olika proteiner med ärvda struktur och egenskaper, uppdelningen av proteinbiosyntessystem och proteinuppsättningar, möjligen i form av koacervat, och utvecklingen av de senare till cellulära strukturer - levande celler (se fig. 2) borde ha förekommit).

Problemet med övergången från den antika RNA-världen till den moderna proteinsyntetiserande världen är det svåraste även för en rent teoretisk lösning. Möjligheten till abiogen syntes av polypeptider och proteinliknande ämnen hjälper inte till att lösa problemet, eftersom det inte finns något specifikt sätt att se hur denna syntes kan kopplas till RNA och falla under genetisk kontroll. Genetiskt kontrollerad syntes av polypeptider och proteiner måste utvecklas oberoende av primär abiogen syntes, på sitt eget sätt, på basis av den redan existerande RNA-världen. Flera hypoteser har föreslagits i litteraturen för ursprunget till den moderna mekanismen för proteinbiosyntes i RNA-världen, men kanske ingen av dem kan anses vara genomtänkt och oklanderlig ur fysikalisk-kemiska förmåga. Jag kommer att presentera en version av processen för evolution och specialisering av RNA, vilket leder till uppkomsten av proteinbiosyntesapparaten (Fig. 3), men den gör inte anspråk på att vara komplett.

Det föreslagna hypotetiska schemat innehåller två viktiga punkter som verkar grundläggande.

För det första postuleras det att abiogent syntetiserade oligoribonukleotider aktivt rekombinerade genom en mekanism av spontan icke-enzymatisk transesterifiering, vilket leder till bildandet av förlängda RNA-kedjor och ger upphov till deras mångfald. Det var på detta sätt som både katalytiskt aktiva typer av RNA (ribozymer) och andra typer av RNA med specialiserade funktioner kunde uppträda i populationen av oligonukleotider och polynukleotider (Fig. 3). Dessutom kan icke-enzymatisk rekombination av oligonukleotider som komplementärt binder till polynukleotidmatrisen säkerställa tvärbindning (splitsning) av fragment som är komplementära till denna matris till en enda kedja. Det var på detta sätt, och inte genom katalyserad polymerisation av mononukleotider, som den primära kopieringen (reproduktionen) av RNA kunde utföras. Naturligtvis, om ribozymer med polymerasaktivitet uppträdde, var effektiviteten (noggrannhet, hastighet och produktivitet) av kopiering komplementär. matrisen var tvungen att öka avsevärt.

Fig.3. Schema för utvecklingen och specialiseringen av RNA-molekyler i övergångsprocessen från den antika världen av RNA till modern värld genetiskt bestämd proteinbiosyntes.

Den andra grundläggande punkten i denna version är att den primära proteinbiosyntesapparaten uppstod på basis av flera typer av specialiserade RNA före uppkomsten av den enzymatiska (polymeras) replikationsapparaten av genetiskt material - RNA och DNA. Denna primära apparat innefattade ett katalytiskt aktivt proribosomalt RNA med peptidyltransferasaktivitet; en uppsättning pro-tRNA som specifikt binder aminosyror eller korta peptider; ett annat proribosomalt RNA, som kan interagera samtidigt med katalytiskt proribosomalt RNA, pro-mRNA och pro-tRNA (se fig. 3). Ett sådant system skulle redan kunna syntetisera polypeptidkedjor på grund av den transpeptideringsreaktion som det katalyserar. Bland andra katalytiskt aktiva proteiner - primära enzymer (enzymer), har det också dykt upp proteiner som katalyserar polymerisationen av nukleotider - replikaser eller NK-polymeraser.

Det är dock möjligt att hypotesen om antika världen RNA, som föregångaren till den moderna levande världen, kommer aldrig att kunna få tillräcklig motivering för att övervinna huvudsvårigheten - en vetenskapligt rimlig beskrivning av mekanismen för övergången från RNA och dess replikation till proteinbiosyntes.

Avslutningsvis vill jag tillägga det nedslående påståendet att RNA:s ”värld” bara är en av hypoteserna, som i takt med att kunskap ackumuleras och forskningsmetoder utvecklas kan ersättas av en mer rimlig och underbyggd. I detta skede av vetenskapens utveckling verkar det osannolikt att mänskligheten äntligen kommer att kunna lösa mysteriet om livets ursprung. Vad som förblir otvivelaktigt är att människan aldrig kommer att ge upp sin lösning. När allt kommer omkring är förmågan att förstå och förändra världen själva den viktigaste "mutationen" som har drivit en av arterna av primater under de senaste miljoner åren, underordnat den viljan från alla tidigare "släktingar" och låtit den vara arrogant kallad naturens kung.

Lista över begagnad litteratur

Markov A.V. Komplexitetens födelse / A.V. Markov. – Förlaget ”Astrel”, 2010. – 528 sid.

Oparin A.I. Livet, dess natur, ursprung och utveckling / A.I. Oparin. - 2:a uppl., utökad. - M.: Nauka, 1968. - 173 sid.

Spirin A.S. Biosyntes av proteiner, RNAs värld och livets ursprung / A.S. Spirin. - Vestn. RAS., 2001. – 320-328s.

Titok M.A. Molecular aspects of evolution/M.A. Titok. – Minsk: BSU, 2011. – 180 sid.

Biologins centrala dogm, formulerad av Francis Crick i slutet av 1950-talet, studeras i sin klassiska form: DNA → RNA → protein. Men det finns tillräckligt med data för att tvivla på den bokstavliga förståelsen av denna livsprincip.

Senaste exemplet: i junipublikationen Vetenskapliga rapporter Ryska forskare från Institute of Bioorganic Chemistry och Federal Scientific and Clinical Center for Physicochemical Medicine har visat att mångfalden av proteinisoformer i celler är betydligt mindre än vad som är teoretiskt möjligt. Journalister skyndade sig att rapportera att idén om molekylärbiologins centrala dogm håller på att förändras. Dogmen har dock förändrats i 70 år, eftersom det ursprungligen bara var en hypotes. Skaparen Crick kallade det "dogma" för att han gillade det här ordet! En annan sak är viktig: hur och varför den huvudsakliga hypotesen om molekylärbiologi förändras.

För mycket RNA

Genetisk information läses från genomets kodande sekvenser, representerade av gener. Endast en liten del av genomet hos eukaryoter (växter, djur, svampar) innehåller gener, och huvuddelen representeras av utökade nukleotidsekvenser med dåligt förstådda funktioner. I det mänskliga genomet täcks endast en fjärdedel av gener och endast 1 % av DNA-sekvenserna kodar för information som registreras i funktionella RNA-molekyler (en del av "DNA → RNA"-dogmen). Det vill säga, 1% av genomiskt DNA innehåller information om alla RNA-molekyler. Varför behöver vi de återstående 99%?

I senaste åren Det blev tydligt att intergena sektioner av DNA har en reglerande funktion: de innehåller system och element som ger finjustering av geners arbete, slår på eller av dem i vissa vävnader i kroppen eller i specifika utvecklingsstadier. Olika komplex som innehåller molekyler av regulatoriska proteiner och RNA binder till sådana element. Redan på denna nivå är det uppenbart att "DNA → RNA → protein"-modellen inte fungerar fullt ut, eftersom huvuddelen av DNA inte ger upphov till RNA, utan har andra funktioner.

Vissa gener kodar för RNA med regulatoriska funktioner. Dessa RNA innehåller inte information om proteinsekvensen, utan organiserar i första hand proteinsyntesen i cellen. Huvuddelen av sådana RNA är komponenter av ribosomer (ribosomala RNA), komplex som utför translation, såväl som aminosyrabärarmolekyler (överförings-RNA), nödvändiga för deltagare i processen för proteinsyntes på en RNA-matris (translation). 90 % av allt RNA i en cell tillhör de listade typerna.

Bland de återstående 10% av RNA-molekylerna är alla proteinkodande RNA representerade, men även bland dessa RNA finns icke-kodande molekyler, i synnerhet små nukleära RNA. Dessa RNA är väsentliga komponenter i splitsningskomplexet. Splicing är processen att ta bort icke-kodande regioner (introner) från den primära RNA-molekylen och sekventiellt koppla ihop kodande (exoner); det resulterande budbärar-RNA:t (mRNA) innehåller redo att läsa proteinsekvensinformation.

Det är detta komplex som förbereder mRNA-prekursorerna för syntesen av de korrekta proteinerna - genom att från mitten av RNA-sekvenserna skära ut sekvenser som inte bär information om proteinets sammansättning, men som innehåller reglerande element. Så "RNA → protein"-delen av dogmen har sina begränsningar.

Molekylär "kvalitetskontroll"

Vad vet vi om de så kallade "proteinkodande" generna? I prokaryota celler (bakterier), för den här typen av gen är allt enkelt: RNA-molekyler transkriberas på en DNA-matris och proteinmolekyler syntetiseras på basis av dem. Oftast är RNA-molekyler redo för syntes under transkription.

I eukaryota celler är allt mycket mer komplicerat: RNA-molekyler som syntetiseras under transkription är inte redo för translation (proteinsyntes), först måste de genomgå ett antal förändringar. En viss uppsättning modifieringar införs i ändarna av RNA-molekyler (och RNA:t blir stabilt och kommer också in i vissa områden av cellen - "proteinfabriker"), introner skärs ut från mitten av molekylerna. Utan splitsning och kombination av exoner kan den korrekta proteinmolekylen inte syntetiseras.

När genomerna blir mer komplexa ökar skarvningens bidrag till processen för mRNA-mognad: i jäst splitsas endast 4% av de proteinkodande generna, i Drosophila - 83% och hos människor - 94%. Majoriteten av mänskliga gener innehåller mer än en intron i sin sammansättning, och mer än hälften av mänskliga gener kan skarvas på flera sätt. Så splitsning är en ytterligare regleringsmekanism som kontrollerar mängden "korrekt" RNA, på vars matris syntesen av proteinmolekyler kan startas.

Dessutom är splitsning ofta en slags "kvalitetskontroll" av RNA-molekyler och reglerar deras stabilitet. Och eftersom alternativ splitsning leder till bildandet av RNA baserat på samma molekyl olika alternativ mogna mRNA, är detta ett sätt att ge ytterligare proteindiversitet i cellen. Sådan mångfald är nödvändig för bättre anpassningsförmåga hos organismen: olika proteinisoformer kan arbeta i olika typer av celler, transporteras till olika fack eller bilda olika igenkänningsytor för ligander, etc.

Vad bullrar gener om?

Alla proteinisoformer har inte kända funktioner, och i många fall kan proteinprodukten inte detekteras för alternativt splitsade RNA-molekyler. Författarna till denna artikel i Vetenskapliga rapporter, som studerade produkterna från alternativ splitsning i en mossmodell, hittade inte proteiner för de flesta av de alternativt splitsade mRNA-molekylerna. I studier utförda på andra modellorganismer hittades inte heller proteinmolekyler för många alternativt splitsade mRNA-varianter.

Kanske är sådana molekyler en biprodukt av regleringen av "mängden" av genuttryck, "genbrus"; eller vissa proteinisoformer behövs i extremt begränsade mängder.

Dessutom innehåller många introner av gener regulatoriska element som kontrollerar splitsningsprocesser, och det kan också finnas icke-kodande RNA involverade i cellulär metabolism. Så mångfalden av isoformer och till och med proteinuttryck kan kontrolleras direkt av RNA-molekyler, utan deltagande av DNA.

Med utvecklingen av genomomfattande teknologier dyker det upp fler och fler arbeten på icke-kodande RNA-molekyler. Det mänskliga genomet innehåller en enorm pool av sådana RNA - "långa" och "korta": de utför viktiga regulatoriska funktioner i cellen. Dessa RNA övervakar stabiliteten hos proteinkodande RNA, aktiverar eller undertrycker gener och fungerar som sensorer under olika påfrestningar. Funktionerna för huvuddelen av icke-kodande RNA har ännu inte beskrivits; detta är en hel värld utan vilken en cell och en organism inte kan existera.

De data som har samlats hittills tyder på att livet på molekylär nivå är en form av implementering av RNA-funktioner. DNA lagrar information, protein är ansvarigt för cellulär metabolism och en cells (och en organisms) liv är organiserat och kontrollerat i det skede då RNA-molekyler fungerar.

Det finns till och med förslag om att RNA, vid evolutionens gryning, var den första biopolymeren som kunde reproducera sig själv. RNA kan å ena sidan, liksom DNA, vara ett förråd av genetisk information (genomen hos en enorm grupp virus representeras av RNA). Å andra sidan är RNA med en katalytisk funktion också kända, som kan utföra några av funktionerna hos proteiner. Anhängare av RNA-världen tror att egenskaperna hos RNA, som gjorde det möjligt för dem att reproducera information registrerad i nukleotidsekvenser genom sin egen enzymatiska aktivitet, spelade en avgörande roll i bildningen genetisk apparat levande organismer.

Tiden för sådana generaliseringar har ännu inte kommit. Forskare har precis börjat förstå att systemet de har studerat i 100 år är mycket mer komplext än det verkade för ens 20 år sedan.

Bland moderna koncept En av de dominerande positionerna i livets uppkomst upptas av teorin om RNA-världen. Låt oss försöka ta reda på vad det är.

Upptäckter inom molekylärbiologi under förra seklet har lett mänskligheten att förstå livets struktur på kemisk nivå. Det visade sig att grunden för livsaktiviteten hos någon organism består av två grupper av biopolymerämnen: proteiner och nukleinsyror.

Proteiner, vars långa, intrikat vikta kedjor består av tiotals och hundratals sekventiellt kopplade aminosyror, fungerar i cellen som arbetsredskap och universella byggnadsmaterial. Enzymproteiner accelererar och styr alla kemiska reaktioner som förekommer i cellen och formar dess utseende.

Men proteiner är tillfälliga verktyg, vars behov ständigt förändras under organismens liv. För att lagra information om proteiner, och därför om själva organismens struktur, använder naturen nukleinsyror - DNA (deoxiribonukleinsyra) och RNA (ribonukleinsyra). Dessa långa molekyler, byggda av fyra typer av nukleotider kopplade samman, är mycket lika i struktur, men har olika egenskaper. Två DNA-strängar riktade i olika riktningar bildar en stel och stabil dubbelhelix miljoner nukleotidpar långa. RNA å andra sidan bildar relativt korta kedjor som utsätts för olika kemiska reaktioner och vävs till öglor på sig själva.

Strukturen hos en DNA-molekyl. Bild: Richard Wheeler/Wikimedia

Så annan struktur förklarade för forskarna de fundamentalt olika funktionerna hos DNA och RNA. DNA visade sig vara en pålitlig, långsiktig lagring av information om kroppens proteiner och RNA visade sig vara en mobil, kortlivad informationsbärare. Det syntetiseras av polymerasproteiner med hjälp av en DNA-mall och ansvarar för att avkoda informationen skriven i DNA, samt för att sätta ihop proteiner enligt DNA-ritningen.

Hela denna hög av kunskap ackumulerades av forskare i mitten av 60-talet av förra seklet, och blev föregångaren till en verklig bioteknisk revolution. Men samtidigt konfronterade han forskare som kämpade med problemet med livets ursprung med en paradox.

För existensen av det första "levande", det vill säga biokemiska system som kan reproduktion och självförsörjning, räcker DNA, RNA och protein. Med rollen som RNA verkar allt vara klart - en typisk ärendemolekyl som inte riktigt vet hur man gör någonting och inte löser någonting, men som är nödvändig för överföring av information från DNA och funktion av proteinsammansättningsmekanismer . Men proteiner och DNA måste helt klart inta en central plats i bilden av den förhistoriska världen.

Information om strukturen hos proteinkatalysatorer, som kan göra allt i världen, kan bara bevaras när den registreras i DNA-strukturen. Samtidigt är stabilt DNA, även om det bevarar information perfekt, inte kapabelt till oberoende kemiska transformationer, förutom kanske för långsamt förfall. Vad dök upp tidigare i evolutionen - skickliga, kortlivade proteiner eller pålitligt men hjälplöst DNA? Det ena kan inte uppträda utan det andra, och den slumpmässiga ögonblickliga uppkomsten av ett komplext DNA-RNA-protein självreplikerande system verkade otroligt.

Det var då som forskarna vände sin uppmärksamhet mot RNA. RNA är inte stabilt och är hemskt att lagra information, men det lagrar det fortfarande. Tänk om vi antar att RNA-kedjor vävda till utsmyckade slingor kan fungera som enzymproteiner, katalysera, det vill säga accelerera, biokemiska reaktioner? Även om de skulle klara av denna uppgift hundratals gånger värre än proteiner, skulle hypotetiskt sådana RNA-katalysatorer kunna existera stabilt och föröka sig på ytan forntida jordäven före tillkomsten av proteiner och DNA. Och deras kemiska instabilitet skulle till och med vara ett plus, vilket leder till en frenetisk utvecklingstakt av den primitiva RNA-faunan.

Strukturen hos budbärar-RNA-prekursormolekylen. Bild: Vossman/Wikimedia

Den djärva hypotesen visade sig vara profetisk, i början av 80-talet hittades de första ribozymen - RNA-baserade biokatalysatorer. Lite senare fick forskare aptamerer - RNA-molekyler som selektivt kan binda vissa ämnen. Det visade sig att RNA kan utföra både biokatalys och molekylärt igenkänningsarbete. Ja, hon gör det värre än ekorrar, men hon gör det ändå.

Sedan dess har forskare inte gett upp ihärdiga försök att i laboratoriet få fram ett ribozym som kan stabilt kopiera (replikeras) av RNA-molekyler av vilken struktur som helst. När ett liknande ribozym uppträdde vid evolutionens gryning skulle ett liknande ribozym bli den verkliga "kärnan" i den hypotetiska RNA-världen, och dess produktion skulle vara en påtaglig bekräftelse på den fortfarande spekulativa hypotesen.

Under årens lopp har man erhållit ribozym-ligaser som kan tvärbinda RNA-molekyler med varandra, och även ribozym-polymeraser som kopierar små RNA-fragment som är enhetliga i sin nukleotidsammansättning. Men på alla komplexa sekvenser som kan biokatalys och molekylärt igenkänning stannade de envist och vägrade att arbeta.

Och nyligen i en välrenommerad tidning PNAS En artikel publicerades om framställningen av det första ribozymet som på ett tillförlitligt sätt kopierar RNA-mallar av vilken nukleotidsammansättning som helst. Under experimenten ersatte forskarna evolutionen med sig själva: av artificiellt urval I ett provrör kunde de skapa ett ribozym som kopierar RNA med tidigare ouppnåelig precision.

Var och en av de 24 omgångarna av mutationsurval började med att kopiera ett redan existerande enzym i en biokemisk process som kallas riboPCR. Denna reaktion är en analog till det välkända polymeraset kedjereaktion(PCR), vilket gör att du kan syntetisera miljontals kopior av det önskade DNA-fragmentet på några timmar. För att material för artificiellt urval skulle dyka upp i systemet modifierades reaktionen för att minska kopieringsnoggrannheten. Felfrekvensen nådde 10 % per enskild nukleotid. Tack vare denna planerade slumpmässiga mutagenes kunde forskare erhålla 10 14 (100 biljoner!) olika varianter av det ursprungliga ribozymet. Efter att reaktionen var avslutad valdes de muterade ribozymerna noggrant ut av forskare: endast de snabbaste och mest exakta ribozymen, som kan kopiera mallen på bästa sätt, gick vidare till nästa omgång av mutation.

Efter att ha slutfört detta mödosamma arbete fick forskarna ett ribozym som heter 24-3-polymeras. För första gången har forskare skaffat ett ribozym som kan replikera små RNA-kedjor av vilken sekvens som helst. Med dess hjälp var det möjligt att replikera flera aptamerer. Det katalytiskt aktiva ribozymligaset kopierades sedan av det outtröttliga polymeraset. Men den verkliga bedriften var att med hjälp av 24-3-polymeras var det möjligt att replikera ett av överförings-RNA:n. Dessa stora RNA-molekyler, intrikat vävda till en klöverbladsliknande form, transporterar aminosyraenheter till platsen för sammansättning av proteinkedjor och är en väsentlig komponent i proteinsyntesapparaten.

Driftshastigheten för det resulterande ribozymet visade sig vara extremt låg, och produktiviteten är ojämförlig med naturliga proteinpolymeraser, men det viktigaste är att det erhölls och det fungerar. Nu, för att bevisa möjligheten av existensen av en gammal RNA-värld, har forskare ett sista steg kvar - att skapa ett ribozym som kan replikera sig självt. Efter att ha gjort det kommer mänskligheten att få en koloni av självkopierande RNA-molekyler i ett provrör - en potentiell analog till den första livsformen på vår planet.

Flera månaders arbete gjorde att forskarna kunde komma nära att skapa en konstgjord prototyp av primitivt liv. Vad kunde ha hänt? naturligt urvalöver hundratals miljoner år? Aldrig tidigare har vi varit så nära att svara på denna fråga.

För att bättre förstå komponenterna i vilka processer som diskuteras i artikeln, titta på den här korta videon. Det är bättre att ignorera orden om "intelligent design".

RNA-världen— Ett hypotetiskt skede av livets uppkomst på jorden, när ensembler av ribonukleinsyramolekyler utförde både funktionen att lagra genetisk information och katalysera kemiska reaktioner. Därefter, från deras associationer, uppstod modernt DNA-RNA-proteinliv, isolerat av ett membran från den yttre miljön. Idén om en RNA-värld föreslogs först av Carl Woese 1968, utvecklades senare av Leslie Orgel och formulerades slutligen av Walter Gilbert 1986.

Det faktum att RNA kan innehålla ärftlig information ledde till att Walter Gilbert föreslog att RNA i antiken användes både som genetiskt material och som katalysatorer och strukturella komponenter i cellen, och att dessa roller därefter omfördelades mellan DNA och proteiner. Denna hypotes är nu känd som RNA World Hypothesis.

Om RNA var de första molekylära maskinerna som användes i tidiga levande celler, så kan de ribozymer som finns idag (som ribosomapparaten) betraktas som levande fossiler – exempel på levande varelser gjorda av nukleinsyror.

Sammanfattning

I levande organismer sker nästan alla processer främst på grund av proteinenzymer. Proteiner kan dock inte replikera sig själv och syntetiseras de novo i cellen baserat på informationen i DNA:t. Men DNA-fördubbling sker endast på grund av deltagandet av proteiner och RNA. En ond cirkel bildas, på grund av vilken, inom ramen för teorin om spontan generering av liv, var det nödvändigt att erkänna behovet inte bara av den abiogena syntesen av båda klasserna av molekyler, utan också för den spontana uppkomsten av ett komplex system för deras inbördes samband.

I början av 1980-talet upptäcktes den katalytiska förmågan hos RNA i laboratoriet hos T. Check och S. Altman i USA. I analogi med enzymer kallades RNA-katalysatorer ribozymer, och Thomas Check tilldelades ett pris för sin upptäckt 1989. Nobelpriset i kemi. Dessutom visade det sig att ribosomernas aktiva centrum innehåller en stor mängd rRNA. RNA kan också skapa en dubbelsträng och replikera sig själv.

Således kan RNA existera helt autonomt, katalysera "metaboliska" reaktioner, till exempel syntesen av nya ribonukleotider och självreproducera, bibehålla katalytiska egenskaper från "generation" till "generation". Ackumuleringen av slumpmässiga mutationer ledde till uppkomsten av RNA som katalyserar syntesen av vissa proteiner, som är en mer effektiv katalysator, och därför fixerades dessa mutationer under naturligt urval. Å andra sidan har specialiserade förråd av genetisk information – DNA – dykt upp. RNA förblev mellan dem som en mellanhand.

RNA:s roll i den moderna världen

Spår av RNA-världen finns kvar i moderna levande celler, och RNA är involverat i kritiskt viktiga processer i celllivet:

• Den huvudsakliga energibäraren i celler, ATP, är en ribonukleotid, inte en deoxiribonukleotid.
• Proteinbiosyntes utförs nästan helt med hjälp av olika typer RNA:

Messenger-RNA är mallen för proteinsyntes i ribosomer;
- överföra RNA levererar aminosyror till ribosomer och implementerar den genetiska koden;
- Ribosomalt RNA utgör ribosomernas aktiva centrum och katalyserar bildningen av peptidbindningar mellan aminosyror.

• RNA är också avgörande för DNA-replikation:

För att påbörja processen med DNA-duplicering krävs en RNA-sådd (primer);
- för den oändliga dubbleringen av DNA, inte begränsad av Hayflick-gränsen, i eukaryota celler återställs de terminala sektionerna av kromosomerna (telomererna) konstant av enzymet telomeras, som inkluderar en RNA-mall.

• I processen med omvänd transkription transkriberas information från RNA till DNA.
• Under RNA-mognad används olika icke-proteinkodande RNA, inklusive små nukleära RNA och små nukleolära RNA.

Dessutom lagrar många virus sitt genetiska material i form av RNA och tillhandahåller ett RNA-beroende RNA-polymeras till den infekterade cellen för dess replikation.

Abiogen RNA-syntes

Syntesen av RNA från enklare föreningar har inte helt demonstrerats experimentellt. 1975 visade Manfred Samper och Rudiger Lews i Eigens laboratorium att i en blandning som inte innehåller något RNA alls, men som bara innehåller nukleotider och Qβ-replikas, kunde självreplikerande RNA spontant uppstå under vissa förhållanden.

2009 lyckades en grupp forskare från University of Manchester, ledd av John Sutherland, demonstrera möjligheten att syntetisera uridin och cytidin med hög effektivitet och graden av konsolidering av reaktionsresultatet (liksom möjligheten till ackumulering av slutgiltigt resultat). produkter) under förhållanden från den tidiga jorden. Samtidigt, även om den abiogena syntesen av purinbaser har påvisats för ganska länge sedan (särskilt adenin är en pentamer av cyanvätesyra), har deras glykosylering med fri ribos av adenosin och guanosin hittills endast visats i en ineffektivt sätt.

Utveckling av RNA

RNA-molekylers förmåga att utvecklas har tydligt demonstrerats i ett antal experiment. Redan innan upptäckten av RNAs katalytiska aktivitet utfördes sådana experiment av Leslie Orgel och kollegor i Kalifornien. De tillsatte ett gift i provröret med RNA - etidiumbromid, som hämmar RNA-syntesen. Till en början bromsades synteshastigheten av giftet, men efter ungefär nio "provrörsgenerationer" av evolution producerade processen med naturligt urval en ny ras av RNA som var resistent mot giftet. Genom att successivt fördubbla giftdoserna utvecklades en ras av RNA som var resistent mot mycket höga koncentrationer. Totalt förändrades 100 provrörsgenerationer i experimentet (och många fler RNA-generationer, eftersom generationerna också förändrades inuti varje provrör). Även om RNA-replikaset i detta experiment tillsattes till lösningen av experimentörerna själva, upptäckte Orgel att RNA också kan spontant självkopiera utan att tillsätta ett enzym, även om det är mycket långsammare.

Ett ytterligare experiment genomfördes senare i laboratoriet tysk skola Manfred Eigen. Han upptäckte den spontana genereringen av en RNA-molekyl i ett provrör med ett substrat och RNA-replikas. Den skapades genom gradvis ökande evolution.

Efter upptäckten av den katalytiska aktiviteten hos RNA (ribozymer), observerades deras utveckling i en automatiserad, datorstyrd enhet i experiment av Brian Pegel och Gerald Joyce vid Scripps Research Institute i Kalifornien 2008. Faktorn som spelade rollen som selektionstryck var det begränsade substratet, vilket inkluderade oligonukleotider som ribozymet kände igen och fäste vid sig självt, och nukleotider för syntesen av RNA och DNA. När man konstruerade kopior uppstod ibland defekter - mutationer - som påverkade deras katalytiska aktivitet (för att påskynda processen muterades blandningen flera gånger med en polymeraskedjereaktion med "oprecisa" polymeraser). Urvalet av molekyler skedde på denna grund: de molekyler som kopierade snabbast började snabbt dominera i miljön. Sedan avlägsnades 90 % av blandningen och en färsk blandning med substrat och enzymer tillsattes istället och cykeln upprepades igen. På 3 dagar ökade den katalytiska aktiviteten hos molekylerna 90 gånger på grund av endast 11 mutationer.

Dessa experiment bevisar att de första RNA-molekylerna inte behövde ha tillräckligt bra katalytiska egenskaper. De utvecklades senare under evolutionens gång under påverkan av naturligt urval.

2009 visade kanadensiska biokemister från University of Montreal K. Bokov och S. Steinberg, efter att ha studerat huvudkomponenten i ribosomen av bakterien Escherichia coli, 23S rRNA-molekylen, hur mekanismen för proteinsyntes kunde utvecklas från relativt liten och enkla ribozymer. Molekylen delades in i 60 relativt oberoende strukturella block, varav det huvudsakliga är det katalytiska centret (peptidyltransferascentrum, PTC, peptidyltransferascentrum), ansvarigt för transpeptidering (bildning av en peptidbindning). Det visades att alla dessa block kan sekventiellt lösgöras från molekylen utan att förstöra dess återstående del tills endast transpeptideringscentret finns kvar. Det behåller dock förmågan att katalysera transpeptidering. Om varje bindning mellan blocken av en molekyl representeras som en pil riktad från blocket som inte förstörs vid separation till blocket som förstörs, så bildar sådana pilar inte en enda sluten ring. Om riktningen på sambanden var slumpmässig, skulle sannolikheten för detta vara mindre än en på en miljard. Följaktligen återspeglar denna typ av anslutningar sekvensen av gradvis tillsats av block under utvecklingen av molekylen, som forskarna kunde rekonstruera i detalj. Livets ursprung kunde alltså ha varit ett relativt enkelt ribozym - PTC-centret för 23S rRNA-molekylen, till vilken nya block sedan lades till, vilket förbättrade processen för proteinsyntes. Själva PTC består av två symmetriska blad, som var och en håller CCA "svansen av en tRNA-molekyl. Det antas att denna struktur uppstod som ett resultat av duplicering (fördubbling) av ett originalblad. Metod artificiell evolution funktionella RNA (ribozymer) med förmåga att katalysera transpeptidering erhölls. Strukturen hos dessa artificiellt härledda ribozymer är mycket nära strukturen hos protoribosomen som författarna "beräknat".

Egenskaper hos objekt i RNA-världen

Det finns olika antaganden om hur självreplikerande RNA-system såg ut. Oftast postuleras behovet av RNA-aggregerande membran eller RNA-placering på ytan av mineraler och i porutrymmet hos lösa bergarter. På 1990-talet visade A. B. Chetverin och hans kollegor förmågan hos RNA att bilda molekylära kolonier på geler och fasta substrat när förutsättningar för replikation skapas. Det förekom ett fritt utbyte av molekyler, som vid en kollision kunde byta ut sektioner, som visats experimentellt. Hela uppsättningen kolonier utvecklades snabbt på grund av detta.

Efter uppkomsten av proteinsyntes utvecklades kolonier som kunde skapa enzymer mer framgångsrikt. Kolonierna blev ännu mer framgångsrika, efter att ha bildat en mer tillförlitlig mekanism för att lagra information i DNA och slutligen separera från världen utanför ett lipidmembran som förhindrar dispergering av dess molekyler.

Pre-RNA-världar

Biokemisten R. Shapiro kritiserar RNA-världshypotesen och tror att sannolikheten för spontan uppkomst av RNA med katalytiska egenskaper är mycket låg. Istället för hypotesen "i början fanns det RNA", föreslår han hypotesen "i början var det metabolism", det vill säga uppkomsten av komplex av kemiska reaktioner - analoger av metaboliska cykler - med deltagande av lågmolekylära föreningar förekommer inuti avdelningar - rumsligt begränsade av spontant bildade membran eller andra fasgränser - regioner. Detta koncept ligger nära koacervathypotesen om abiogenes som föreslogs av A.I. Oparin 1924.

En annan hypotes om abiogen RNA-syntes, utformad för att lösa problemet med den låga uppskattade sannolikheten för RNA-syntes, är den polyaromatiska kolvätevärldshypotesen, som föreslogs 2004, som föreslår syntesen av RNA-molekyler baserat på en stapel av polyaromatiska ringar.

Faktum är att båda "pre-RNA-världar"-hypoteserna inte avvisar RNA-världshypotesen, utan modifierar den, postulerar den initiala syntesen av replikerande RNA-makromolekyler i primära metaboliska avdelningar eller på ytan av associerade, vilket driver "RNA-världen" till det andra stadiet av abiogenes.

Akademiker vid Ryska vetenskapsakademin A.S. Spirin tror att RNA-världen inte kunde ha dykt upp och existerat på jorden, och överväger möjligheten av ett utomjordiskt (främst på kometer) ursprung och utveckling av RNA-världen.

Att läsa mellan raderna av DNA [Vårt livs andra kod, eller en bok som alla behöver läsa] Spork Peter

RNA-världen

När Hans Jornvall, sekreterare i Stockholms Nobelkommitté, tillkännagav de nya vinnarna av detta pris i medicin den 2 oktober 2006 svepte ett sorl genom rummet. Få tittare förväntade sig ett sådant beslut: vinnarna var två aktiva vetenskapliga år fyrtio-något vars viktigaste publikationer hade utkommit åtta år tidigare. Vanligtvis tilldelas mer meriterande specialister.

Men enligt de flesta kollegor, amerikanerna Andrew Fire från Stanford University (Kalifornien) och Craig Mello från Läkarutbildningen University of Massachusetts har fått det högsta erkännandet inom sitt område och är välförtjänt. Ändå upptäckte de en helt okänd metod för att kontrollera genaktivitet – den så kallade RNA-interferensen.

RNA är en förkortning för ribonukleinsyra. Detta är namnet på den yngre och extremt mångsidiga systern till DNA (deoxiribonukleinsyra). RNA-molekyler är nästan identiska i kemisk struktur med DNA, men de består av mycket kortare kedjor av nukleotider och är mindre motståndskraftiga mot förändringar. De fungerade som ärftligt material för de första levande organismerna på jorden, och enkla virus använder dem fortfarande för dessa ändamål.

Alla typer av RNA har i allmänhet tydligt definierade funktioner och är extremt viktiga för cellens biokemi. Till skillnad från DNA kan de inte bestå av två kedjor med parvis sammankopplade baser, utan av en sträng med öppna baser, och ibland ha formen av en ögla. På grund av mångfalden av RNA-molekyler talar biologer vördnadsfullt om en hel värld av RNA som ännu inte har utforskats fullt ut. De viktigaste representanterna för denna värld är den redan nämnda matrisen (information) och överförings-RNA. Nya stjärnor har också dykt upp - mikro-RNA.

Innan Fire och Mellos upptäckt ansågs de senare vara en biprodukt, ett slags budbärar-RNA utan information, som bildas när man läser av proteiner som felaktigt översätter någon bit skräp-DNA till budbärar-RNA. Idag är det redan känt att denna process inte inträffar av en slump, och motsvarande delar av DNA är inte skräp alls. Snarare representerar de ett tredje viktigt system av epigenetiska kodväxlar.

Först syntetiserar cellen två spegelsträngar av mikroRNA, som kombineras till det så kallade dubbelsträngade RNA:t. Dessa molekyler, som liknar en kort repstege, ser exakt ut som ärftligt material från cellinvaderande virus som försöker föröka sig genom infekterade cellers biokemiska maskineri och på så sätt orsaka sjukdomar. Cellen bekämpar RNA på samma sätt som den bekämpar virus: ett enzym som kallas dicer (granulator) dyker upp och bryter dem i bitar med en längd på 21 till 27 nukleotider.

De flesta av dessa fragment förstörs av cellen. Men vissa binder till multiprotein-RISC-komplexet, vilket räddar dem från förstörelse. Dessa föreningar skickas sedan ut för att hitta ett lämpligt budbärar-RNA. Den senare är i stort sett identisk med en av kedjorna i det ursprungliga mikroRNA:t, och därför någonstans i den kommer det definitivt att finnas en sektion parad med ett av de många resulterande fragmenten. När den önskade molekylen väl hittats fastnar den på motsvarande RNA-bit, som en stackars fluga till kardborreband. Slutligen utför RISC, som fortfarande är fäst vid fragmentet, snabb exekvering - det förvandlar budbärar-RNA:n till en hög med nukleotidskräp, som omedelbart samlas in och bearbetas av tomma överförings-RNA.

Nu kan cellen inte syntetisera proteinet som kodas i budbärar-RNA:t. Motsvarande gen är tyst, även om den ständigt läses på DNA-nivå.

Men det är inte allt. Med hjälp av sina mikroRNA kan en cell inte bara starta eller stoppa syntesen av ett visst protein, som den gör med hjälp av andra epigenetiska switchar. Cellen kan också undertrycka genaktivitet något. Ju fler stickies den placerar mot ett visst budbärar-RNA, desto färre av dess motsvarande kodade molekyler når målet och desto mindre av ett visst protein kommer att syntetiseras.

Craig Mello och Andrew Fire kallar denna mekanism för genreglering för RNA-interferens eftersom två molekyler som svarar på varandra - budbärar-RNA och mikro-RNA - under processen stänger av varandra på samma sätt som mot-propagerande vågor under fysisk interferens är ömsesidigt försvagat. Forskare upptäckte denna princip som ett resultat av experiment: de injicerade dubbelsträngat RNA i rundmaskar och fann att efter detta minskade syntesen av vissa proteiner.

Till en början visste ingen om upptäcktens långtgående konsekvenser. Allt detta är förmodligen "någon sorts märklig mekanism, karakteristisk endast för maskar”, beslutade forskarna själva. Troligtvis spelar det inte någon roll i djurens normala liv, eftersom det bara sker inom ramen för experimentet. Men forskarna hade mycket fel. Många experter skyndade sig att studera denna effekt och avslöjade på kort tid många nya detaljer.

Uppenbarligen, i urminnes tider, utvecklade en sorts pro-cell en mekanism för ömsesidig avstängning av ribonukleinsyror för att förhindra virala gener, räddade från Dicer-enzymet och framgångsrikt introducerade i DNA, från att implementera sina "kopplingsscheman" och orsaka sjukdomar . Tydligen, en tid senare, kom andra celler att reglera sitt eget genavläsningssystem med hjälp av mikroRNA.

En av huvuduppgifterna för RNA-interferens är att inaktivera transposoner. Dessa är de nyligen sammansatta, extremt rörliga generna och deras fragment som aktiveras endast i händelse av extrem försämring av den yttre miljön för att hjälpa evolutionen att komma ur denna situation.

"Till dags dato har omkring trehundrafemtio mikroRNA identifierats exakt, och det slutliga antalet kommer förmodligen att vara i intervallet femhundra till tusen," sa den tyske biokemisten Thomas Tuschl från Rockefeller University till Spectrum der Wissenschaft (Spectrum of Science). New York), en av de ledande forskarna av RNA-interferens i världen. Tuschl upptäckte bland annat att switchar gjorda av ribonukleinsyra också finns i mänskliga celler.

RNA-interferens. Genomet innehåller inte bara gener utan kodar också för mikroRNA. Med hjälp av enzymer förstör de motsvarande budbärar-RNA och blockerar därmed översättningen av genen till protein.

Idag är det redan känt att principen om RNA-interferens fungerar i nästan alla levande organismer. Och de senaste resultaten tyder på att RNA-världen är mycket viktigare och mer mångsidig än väntat. Det visade sig att små RNA:n också fungerar som spårare, och pekar ut för proteiner runt DNA:t de platser som på ett tillförlitligt sätt borde blockeras eller omprogrammeras. "Det finns anledning att tro att RNA kan fungera som ankare för olika proteiner som lägger till metyl- eller acetylgrupper till kromatin eller tar bort dem igen", förklarar den schweiziske epigenetikern Renato Paro.

Det som händer är att vissa mikroRNA-fragment går tillbaka in i cellkärnan och blir stora organisatörer av epigenomet. RNA-segment är säkert och exakt fästa till vissa sektioner av DNA, främst till deras spegelkopior. Dessutom drar dessa våghalsar i släptåg speciella proteiner som får det ärftliga ämnet, till exempel, att krypa ihop till en boll - deaktiverat, tätt packat heterokromatin. Så här kan de under en lång tid inaktivera hela sektioner av DNA.

Thomas Tuschl tror att mikroRNA kan mer. De är förmodligen "en viktig faktor i förekomsten av olika sjukdomar." Det "framtida målet" för hans egen forskning är att "karta mikroRNA genom hela genomet, för alla friska och sjuka vävnader, och bestämma deras funktioner."

Det som är särskilt spännande med RNA-interferenssystemet för Tuschl är att, tillsammans med DNA-metylering och histonkod, har en tredje väg upptäckts för externa faktorer att påverka genaktivitet. "Frågan uppstår om de flesta genetiska sjukdomar kan förklaras genom en regulatorisk process och om de på något sätt kan kontrolleras", säger forskaren. Det låter komplicerat, men forskaren förklarar med ett exempel: ”Hypotesen är denna: kanske för att uppnå en liten men effektiv förändring av mönstret för genaktivering mot depression räcker det att träna regelbundet, stabilisera nivån av dopamin, eftersom detta ämne är en viktig faktor vid behandling av depression."

Detta exempel tar oss tillbaka till huvudbudskapet i vetenskapen om den andra koden: de som börjar leva på ett nytt sätt ändrar sin ämnesomsättning och hormonsystem. Och dessa förändringar har långsiktiga effekter på metyleringsmönster, histonmodifieringar och mikroRNA, vilket i sin tur kan ha gynnsamma effekter på kropp och själ. Förresten, det faktum att fysisk aktivitet minskar ofta depression, har redan bevisats hos många vetenskapliga arbeten. Epigenetik kan förklara sådana positiva effekter som uppstår till följd av livsstilsförändringar.