В поисках пути к синтезу белков

Александр Марков
Александр Марков

Продолжаем серию публикаций, посвященных происхождению жизни на Земле. Недавно в журнале Nature были опубликованы результаты исследования [1], возможно проливающего свет на то, как миллиарды лет назад молекулы РНК научились конструировать белки. Биолог Александр Марков отвечает на вопросы Бориса Штерна.

— В прошлый раз речь шла о самом начале возникновения жизни: как появился РНК-мир и как стартовала дарвиновская эволюция. Видимо, короткие молекулы РНК научились сами себя копировать. Речь шла о так называемой неферментативной репликации, потому что ферментативная репликация уже сложна, она требует очень большой подготовки и очень больших молекул. Следующим этапом, о котором мы говорили, был синтез белков. Первое маловероятное событие — начало дарвиновской эволюции, второе — РНК синтезирует белки, которые нужны как строительный материал, среда, катализаторы.

И вот недавно появилась статья исследователей из Мюнхенского университета, где вроде бы это событие — переход от чистого РНК-мира к комбинации «РНК плюс белки» — сильно упрощается, то есть коротенькие РНК умеют, как выясняется, надстраивать себя белками. Александр, я правильно объясняю?

— Да, примерно так.

— Я тут выступаю как тупой студент… Теперь представьте, что перед вами одни физики вроде меня или даже айтишники. В чем суть статьи?

— В принципе есть уже довольно много указаний на то, что чистый мир РНК (где была только РНК и не было никаких белков, точнее — пептидов) существовал очень недолго или, может быть, его вообще не было, а с самого начала (или почти с самого начала) был симбиоз, содружество между молекулами РНК и какими-то примитивными пептидами, которые то ли могли абиогенно синтезироваться, то ли… непонятно что. (Грубо говоря, пептидами называют простые короткие белки. Пептиды — более общее название для любых последовательностей аминокислот, но белками называют только большие, сложные пептиды.)

Соответственно, предполагается, что сначала, недолгое время, был РНК-мир, потом был РНК-пептидный мир, а затем произошел переход к РНК-белковому миру с настоящим аппаратом трансляции, с рибосомами, со всей этой сложнейшей системой синтеза белка, контролируемого синтеза пептидов, когда структура белка закодирована в специальной молекуле — матричной РНК.

Новая статья как раз показывает, как в этом гипотетическом РНК-пептидном мире может быть организован синтез пептидов.

— В двух словах, на пальцах, можете объяснить механизм? Как это происходит?

Схема молекулы транспортной РНК (тРНК) с двумя неканоническими нуклеотидами в антикодонной петле. В позиции 34 (первая позиция антикодона) находится модифицированный уридин. В позиции 37, сразу после антикодона, — модифицированный аденозин с присоединенной аминокислотой. У современных организмов для синтеза белка используются аминокислоты, присоединенные к аденозину в другой части тРНК, далеко от антикодона (правый верхний угол рисунка) [1]
Схема молекулы транспортной РНК (тРНК) с двумя неканоническими нуклеотидами в антикодонной петле. В позиции 34 (первая позиция антикодона) находится модифицированный уридин. В позиции 37, сразу после антикодона, — модифицированный аденозин с присоединенной аминокислотой. У современных организмов для синтеза белка используются аминокислоты, присоединенные к аденозину в другой части тРНК, далеко от антикодона (правый верхний угол рисунка) [1]
— Там довольно интересная идея. Исследователи зацепились за то, что есть транспортные РНК (тРНК), очень важные участницы современного аппарата трансляции. Это короткие молекулы РНК, длиной от 73 до 93 нуклеотидов, которые на одном конце несут так называемый антикодон — это три нуклеотида, которые должны быть комплементарны соответствующей тройке нуклеотидов в матричной РНК, чтобы производить считывание. Дальше у транспортной РНК есть несколько петель, а на противоположном конце — CCA-хвост, к концу которого приделана аминокислота. Во время современного синтеза белков на рибосоме транспортная РНК с подходящим антикодоном заходит в рибосому, там соединяется комплементарно со своим триплетом матричной РНК (своеобразной инструкции для синтеза белка). Если кодон подходит к антикодону, та аминокислота, которую принесла эта тРНК, присоединяется к растущей полипептидной цепочке, растущему белку.

Эти молекулы тРНК довольно странненькие, в них много всяких загадочных деталей, нюансов. Сейчас многие специалисты считают, что молекулы тРНК очень древние, что разные аспекты их структуры уходят корнями очень глубоко в РНК-мир и в структуре этих молекул много намеков, реликтов, которые рассказывают нам об очень древних эволюционных событиях в РНК-мире.

В частности, в тРНК есть нестандартные нуклеотиды. Помимо четырех канонических нуклеотидов, которые обозначаются буквами A, U, G, C, встречается целый ряд неканонических нуклеотидов, которые многие считают реликтами РНК-мира. Может быть, какие-то рибозимы модифицировали отдельные нуклеотиды, расширяя возможности молекул РНК, которые химически достаточно однообразны, в отличие от белков.

Авторы статьи обратили внимание на два нестандартных нуклеотида, которые в некоторых тРНК встречаются внутри и в непосредственной близости от антикодона, главной части тРНК, которая служит для декодирования, считывания генетического кода в современных организмах. Один нуклеотид — модифицированный уридин. Он входит в состав антикодона у некоторых тРНК. Другой нуклеотид расположен вплотную к антикодону — это модифицированный аденозин, к которому еще бывает зачем-то прикреплена какая-нибудь аминокислота. Что она там делает — непонятно. Может быть, она выполняет какую-то функцию в современных тРНК. Но что если это указание, намек на то, как могли работать с аминокислотами рибозимы где-то на заре РНК-мира? И вот исследователи стали изучать свойства коротких молекул РНК, содержащих эти два нестандартных нуклеотида.

— Насколько коротких? Сколько там нуклеотидов?

— От трех нуклеотидов до двух десятков. Они сами синтезировали молекулы для экспериментов. На концах стоял либо модифицированный уридин, либо модифицированный аденозин с аминокислотой. Исследователи показали: действительно, если эти две молекулы комплементарны друг другу и могут образовывать уотсон-криковские пары, то есть двойную спираль, то нестандартные нуклеотиды на концах этих двух молекул оказываются рядом, и аминокислота может перейти с модифицированного аденозина на модифицированный уридин. Тогда она остается на уридине аминогруппой наружу (тем концом, где у нее NH2) — на аденозине она другим концом наружу торчала. После этого ту молекулу, у которой аденозин, можно отделить от двойной спирали, и если приплывет новая молекула с модифицированным аденозином и аминокислотой на конце, тоже комплементарная той оставшейся молекуле, то вторая аминокислота может присоединиться к первой. Тогда получится, что к уридину приделан дипептид, микробелок из двух аминокислот. И так далее. РНК с аденозином может опять отделиться и уплыть, взамен может приплыть следующая такая же, с новой аминокислотой, и тогда к маленькому пептидику присоединяется третья аминокислота.

— Получается некодируемая последовательность?

— Да.

— И это цепочка из одинаковых аминокислот? Или они варьируются?

— В принципе там могут быть любые аминокислоты. Это зависит от того, что химики присоединят к модифицированному аденозину. Они сами решали, какую аминокислоту присобачить.

Удлинение пептидной цепочки на РНК-акцепторе, показанное в экспериментах. Цветными кружочками обозначены аминокислоты (V — валин, G — глицин, A — аланин) [1]
Удлинение пептидной цепочки на РНК-акцепторе, показанное в экспериментах. Цветными кружочками обозначены аминокислоты (V — валин, G — глицин, A — аланин) [1]

— Хорошо, а в природе это происходит случайно? Или есть какая-нибудь доминирующая аминокислота?

— Вообще этот вопрос в основном остался за кадром. Единственное, что авторы пишут по этому поводу в тексте статьи — разные аминокислоты, так сказать, с разным уровнем энтузиазма переходят с аденозина на уридин или на растущий пептид. Скажем, фенилаланин это делает в десять раз быстрее, чем глицин. Наверное, на этом может быть основана избирательность в синтезе пептидов, но не очень понятно, какая. Будут синтезироваться преимущественно пептиды из тех аминокислот, которым больше нравится такой химический процесс. Но этого, конечно, недостаточно. Дальше читатель уже может додумывать сам, как на основе такой системы можно что-то контролируемо синтезировать, а не просто случайные пептиды.

— Итак, у нас есть РНК — и на конце стал нарастать пептид?

— Да, именно так и получается. Но исследователи показали, что нуклеотид-акцептор, этот самый модифицированный уридин, на котором нарастает пептид, не обязательно должен быть на конце РНК. Он может быть в любом месте. Можно даже получить молекулу РНК, у которой в нескольких местах отрастают пептиды. Это экспериментально показано.

Исследователи не показали, как этот процесс контролировать, но представим, что это возможно… Какие-то простенькие рибозимы будут контролировать, какую именно аминокислоту присоединять к молекуле-донору в зависимости от последовательности нуклеотидов этой молекулы. Для того чтобы процесс работал, обязательно должна быть комплементарность. Тут совпадение с реальным аппаратом трансляции. Молекула-донор с аденозином должна быть строго комплементарна тому участку молекулы-акцептора, который прилегает к уридину. Тогда они образуют дуплекс, двойную спираль. Если у нас будет набор простых рибозимов, которые будут решать, какую именно аминокислоту пришивать к конкретному донору в зависимости от того, какая у него последовательность нуклеотидов, будет чуть более контролируемый синтез: в зависимости от того, какие нуклеотиды стоят рядом с уридином, на нем будет вырастать гомополимер из одних и тех же аминокислот. Например, фенилаланин, фенилаланин, фенилаланин — и так далее. Уже чуть лучше, чем полностью неконтролируемый синтез, но до настоящей трансляции тут, конечно, далеко.

Конечно, надо всё равно придумывать, как из этого мог получиться современный аппарат трансляции. Но чувство такое, что это можно рассматривать как первый эволюционный шаг. Тем более что исследователи показали: минимальный размер донора — ровно три нуклеотида, что соответствует размеру кодона и антикодона. Вдруг это не случайно?

— Теперь такой вопрос. Какой от этого может быть толк в дарвиновском отборе? Какую выгоду могут иметь молекулы РНК, которые научились наращивать эти пептиды? Насколько это зависит от среды? Имеет ли это вообще отношение к дарвиновской эволюции?

— Молекулы РНК довольно ограничены в своих химических возможностях, потому что там всего четыре нуклеотида, им трудно хорошо катализировать окислительно-восстановительные реакции. А вот у белков целых 20 аминокислот в распоряжении. Там гораздо сложнее комбинаторика, гораздо больше всяких трехмерных конфигураций и возможных химических функций. Соответственно, если у нас появляется возможность пришивать к молекулам РНК в произвольных местах короткие пептиды, это резко расширяет потенциальный спектр возможных функций: химических, структурных, каких угодно. Рибозимы, обросшие пептидами, могут гораздо больше, чем голые рибозимы, без пептидов. Конкретные возможности еще никто не исследовал, но из общих соображений очевидно, что репертуар возможностей увеличивается со страшной силой. Соответственно, больше потенциальных путей эволюции открывается.

— Грубо говоря, всё это было проделано в пробирке. Какие требования к окружающей среде, чтобы этот процесс пошел? Насколько это реально в природе, на ранних стадиях происхождения жизни?

— Авторы статьи пишут: дескать, все эти процессы идут, как сейчас говорят, в «пребиотически правдоподобных» условиях, которые якобы могли в реальности существовать. Да, конечно, если вчитываться в методику, мы увидим, что использовались всякие хитрые активаторы, добавки в очень высоких концентрациях. Не всегда объясняется, как в природе могла получиться такая огромная концентрация. Сложная органическая химия… Тем не менее авторы считают, что условия правдоподобные, совместимые с идеей о том, что жизнь зарождалась в геотермальных водоемах на суше, в каких-то вулканических источниках. Там были резкие перепады температур — это нужно для синтеза, потому что присоединение аминокислоты к уридину или пептиду идет при одной температуре, а отделение от аденозина — при другой температуре. Люди фантазируют: гейзер извергается — вода нагревается, температура повышается; проходит время — вода остывает. Вот такие циклы. Кроме того, нужны циклы высыхания и обводнения. При высыхании вулканической лужи могут достигаться высокие концентрации реагентов.

 Рис. 2. Принципиальная схема синтеза пептидов короткими молекулами РНК, одна из которых (синяя) содержит модифицированный аденозин (m6A) и служит донором (подносчиком аминокислот), а другая (красная) содержит модифицированный уридин (mnm5U) и является акцептором (на ней постепенно собирается пептидная цепочка) [1]
Рис. 2. Принципиальная схема синтеза пептидов короткими молекулами РНК, одна из которых (синяя) содержит модифицированный аденозин (m6A) и служит донором (подносчиком аминокислот), а другая (красная) содержит модифицированный уридин (mnm5U) и является акцептором (на ней постепенно собирается пептидная цепочка) [1]
Вот так. С одной стороны, конечно, ничего невероятного. С другой стороны, поколдовать пришлось. Но каждый хитрый химический реагент, который они добавляли в свою пробирку, можно мысленно заменить неким простеньким рибозимчиком, который будет это катализировать — может быть, гораздо лучше, чем неорганический катализатор, который использовали в эксперименте. Это же все-таки РНК-мир.

— То есть вы считаете, что эта работа перспективна? Можно двигаться дальше и получать более интересные и сложные вещи?

— В принципе — да. Конечно, простор открывается. Меня немножко смущает, что теперь там такая химическая комбинаторика начинается… Раньше искали нужные свойства и функции среди молекул РНК с разной последовательностью из четырех нуклеотидов. Это уже огромная комбинаторика. Если на каждом нуклеотиде еще могут расти разные пептиды, то уже ни в какой лаборатории не перебрать и миллиардной доли всех вариантов. Не очень понятно, как дальше все эти идеи развивать. Но химики наверняка что-нибудь придумают. Они всё время что-то придумывают в последние годы.

— Ваше общее впечатление: эта работа продвинула понимание того, как возник синтез белков? Это не тупиковый путь?

— Ой, я бы сказал так… Бывают такие работы, которые прочтешь — и понимаешь: о, вот это прорыв! А в данном случае все-таки не так. Это скорее некий очень интересный намек на то, как всё могло быть. Но у меня не возникло четкого убеждения, что именно такой процесс реально существовал и был промежуточным этапом на пути к современному аппарату трансляции. Просто еще одна интересная возможность.

— Ну что ж, большое спасибо.

Видеозапись интервью:
youtu.be/watch?v=fpSiQ4M-B5Q

1. Müller F., Escobar L., Xu F. et al. A prebiotically plausible scenario of an RNA-peptide world // Nature. 605. P. 279–284 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04676-3

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

См. также:

Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (5 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: