27.02.2015

Рибосома могла быть мостиком между доклеточной и клеточной жизнью

Роберт и Мередит Рут-Бернстейны применили технологии биоинформатики не к обычным молекулам РНК и ДНК, а к последовательностям рибосомальных РНК. Предполагалось, что эти молекулы бессмысленны, их полинуклеотидная последовательность выполняет структурную, а не информационную функцию. Но изощренные приемы анализа последовательности позволили утверждать, что это не так. В последовательностях рРНК нашлись рудименты тРНК всех 20 аминокислот, следы кодирования рибосомальных белков, а также ферментов, необходимых для белкового синтеза и энергетического снабжения. На основе этого ученые предположили, что рибосомы или их предшественники могли быть промежуточным этапом между РНК-миром и клеточной жизнью.

Роберт Рут-Бернстейн (Robert Root-Bernstein) из Мичиганского университета и его дочь Мередит Рут-Бернстейн из Школы географии и окружающей среды при Оксфордском университете опубликовали в журнале Theoretical Biology интересную гипотезу о возможном промежуточном звене между РНК-миром и клеточным миром. На эту роль, как они считают, вполне годятся рибосомы.

Как предполагается, мир РНК представлял собой первичный мир макромолекул, ориентированный на быстрый синтез белков и нуклеотидных последовательностей. Это был мир самореплицирующихся макромолекул, использующий свои собственные энергетические запасы в виде фосфатов. Это был мир, в котором минеральные вещества из окружающей среды непосредственно катализировали химические реакции между агрегатами органических молекул. С наступлением клеточного мира все химические реакции оказались заключены в микрокосме клеточных оболочек. Как произошел этот переход?

Предполагается, что между самореплицирующимися молекулами и функционирующей клеткой должно находиться нечто, способное не только к репликации (что очевидно), но и к обеспечению энергией, синтезу белковых молекул, транспорту веществ. То есть ко всем клеточным функциям, пусть и в минималистском стиле. Это нечто, кроме того, должно было быть подвластно естественному отбору... впрочем, это неизбежно для любой структуры с возможностью копирования с ошибками. Принципиально такую структуру мы знаем — это рибосомы. Они построены из нуклеотидов и белков, синтез последних они сами и обслуживают. Иными словами, рибосомы заключают в себе молекулы наследственной информации, а также обеспечивают производство жизненно важных белков. Но вот беда — в учебниках написано, что все последовательности рРНК бессмысленны и никакой информации не содержат. А нам требуется такая молекула, в которой бы сохранились наследственные модули для саморепликации — молекулы транспортных РНК (тРНК), молекулы полимераз, синтетаз, фосфатаз.

Рут-Бернстейны решили проверить прописные истины: действительно ли в рибосомальных РНК не содержится никакой информации? Они взяли последовательности рРНК E. coli (и 23S рРНК, и 16S рРНК, и 5S рРНК), перевели их в комплементарную форму, а затем сравнили ее с последовательностями ключевых для синтеза белков молекул: тРНК, рибосомальных белков, лигаз, синтетаз, фосфатаз, полимераз. И самое удивительное — что сходство немедленно обнаружилось.

Во-первых, на рРНК нашлись участки, которые на 50–70% (цифры для двух больших субъединиц) совпали с последовательностями действующих тРНК E. coli. Нашлись для всех 20 аминокислот, из которых слагаются белки земных существ.

Для этих тРНК-подобных участков ученые попробовали смоделировать вторичную структуру, то есть проверили, сложатся ли эти молекулы в характерную трилистную структуру с петлями. Такие компьютерные программы сейчас вполне доступны. Как выяснилось, все тРНК-подобные последовательности рибосом с большой вероятностью образуют структуру трилистника, но некоторые складываются в линейную молекулу с двумя петлями. Авторы работы глубокомысленно напоминают читателям, что подобные «линейные» тРНК известны и они работают в митохондриях. Также для митохондриальных тРНК характерно перекрывание последовательностей; именно это обнаружилось и для рибосомальных тРНК-подобных участков. Не будем, однако, спешить: гипотеза о сохранении примитивных молекулярных признаков в митохондриях нуждается в дальнейшем подтверждении.

Что еще удалось отыскать в последовательностях рРНК? Трансферазы и синтетазы, которые катализируют ковалентную связь между аминокислотами и тРНК, то есть загружают аминокислоты на тРНК. ДНК- и РНК-полимеразы, лигазы, которые организуют транскрипцию нуклеотидных последовательностей, то есть участвуют в репликации. Рибосомальные белки, необходимые для конструирования рибосом, и соответствующие пептидазы. Фосфатазы и другие ферменты, связанные с транспортом фосфатных групп, нужные для синтеза нуклеотидов и энергообеспечения биохимических реакций. Последовательности всех этих белков, естественно, не содержатся в рибосомальных РНК в «чистом виде». Их присутствие утверждается на основе статистических закономерностей.

Ясно, что сейчас можно найти лишь рудименты этих последовательностей, поэтому выявление их потребовало расчетов вероятностей. Расчеты показали, вероятность присутствия именно этих белков в 4–5 раз выше, чем любых других. Важно, кроме того, что вероятности присутствия этих белков на 16- и 23S рРНК примерно одинаковы. Случайностью это вряд ли можно объяснить. Также трудно объяснить случайностью тот факт, что в найденных последовательностях около трети сходства приходится на активные центры ферментов. А если исключить белки с неизвестной функцией, то эта цифра составит 55%. Это означает, что больше половины сохранившейся в рРНК информации составляют рабочие элементы белкового синтеза.

Всё это позволяет предположить, что рибосомы предшествовали клеточной жизни. Они могли представлять собой доклеточные структуры, способные к автономной саморепликации. А сами они, в свою очередь, сложились из коротких простых кусочков РНК.

Эта гипотеза, как отмечают авторы, может быть проверена. Так, если в рРНК других бактерий отыщутся тРНК-подобные участки, то это будет ее подтверждением. Если обнаружится сходство в тРНК-участках между различными бактериями, то это тоже будет свидетельство в ее пользу. Если исследования покажут, что последовательности рРНК-связанных ферментов, выявленные для E. coli, присутствуют и у других микробов и в расположении этих последовательностей угадывается сходство, то это тоже усилит гипотезу. И если синтезировать пептиды, закодированные в рРНК-последовательностях, и они докажут свою работоспособность, то это тоже добавит ей вес.

В любом случае, исследования в этом направлении видятся исключительно перспективными и вполне выполнимыми. Если гипотеза подтвердится, то появится реальная база для изучения самых древних, доклеточных, этапов становления жизни. Если же она не подтвердится, то рибосома пока так и останется единственной полинуклеотидной структурой, не несущей никакой информации.

Подготовлено по материалам: Meredith Root-Bernstein, Robert Root-Bernstein. The ribosome as a missing link in the evolution of life // Journal of Theoretical Biology. 21 February 2015. V. 367. P. 130–158 (доступен также полный текст статьи — PDF, 9 Мб).

Елена Наймарк

Источники:

1. elementy.ru