Евгений Кунин - Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции

Рис. 12-3. Р-петля, древнейший и самый распространенный в белковых последовательностях мотив. На рисунке изображено выравнивание Р-петель восьми древних НТФаз, каждая из которых, по данным эволюционных реконструкций, была представлена в LUCA(S) (Mirkin et al., 2003). Для каждой линии представлены три последовательности: бактерии ( Escherichia coli , Ecoli), археи ( Pyrococcus abyssi , Pabys) и эукариота (дрожжи Saccharomyces cerevisiae , Scere). Белыми буквами на черном фоне обозначены аминокислотные остатки, напрямую взаимодействующие с фосфатным концом НТФ, а серым фоном – характерная гидрофобная β-последовательность, предшествующая ФСП. SRP – частица узнавания сигналов.

Таким образом, из сравнительного анализа древних паралогических отношений между белковыми компонентами системы трансляции следует бесспорный, хоть и парадоксальный, вывод: за интересным исключением основных рибосомных белков, все белки, играющие главную роль в современной трансляции, возникли в результате долгой и сложной эволюции различных белковых доменов . Возникает замкнутый круг: для возникновения этих белков требуется точная и эффективная система трансляции. Древняя система трансляции могла быть и не столь совершенной, как современная, но несомненно, что она отличалась от нее не более чем на порядок по точности и скорости, иначе белковая эволюция не стала бы возможной. Однако из всего, что нам известно о современной системе трансляции, такой уровень точности невообразим без сложного и специализированного белкового аппарата.

Итак, система трансляции ярко высвечивает парадокс Дарвина – Эйгена, присущий любому анализу возникновения сложных биологических систем: для работы эффективной и точной системы трансляции современного типа требуется множество различных белков, но для того, чтобы эти белки могли возникнуть, нужна система трансляции почти столь же совершенная, как современная. По-видимому, существует только одно возможное разрешение этого парадокса, а именно через отказ от первой части противопоставления: следует заключить, что трансляционная система, сравнимая с современной по точности и скорости, работала в отсутствие значительного разнообразия белков и, возможно, вообще без белков . Таким образом, основываясь на сравнительном анализе составных частей системы трансляции, мы должны сделать предположение о существовании сложного и разнообразного мира РНК, в котором уже действовала некая разновидность цикла Дарвина – Эйгена.

Это не все, что может нам дать сравнительный анализ: сравнение самих РНК также вскрывает важные явления и загадывает поразительные загадки. Так, анализ большой рибосомной субъединицы РНК 23S выявил иерархический сценарий последовательности дупликаций, способной привести от простой древней шпильки РНК к современной, сложной, универсально консервативной структуре рРНК (Bokov and Steinberg, 2009).

Консерватизм структуры определенных элементов последовательностей (таких как псевдоуридиновая петля) и даже сайтов модификации тРНК всех специфичностей (и, разумеется, всех видов) не оставляет сомнений в том, что все они эволюционировали от общего предка (Eigen et al., 1989). Отсюда, при сравнении современных последовательностей и структур, возникает второй парадокс эволюции трансляции. Если на некоторой стадии эволюции существовал единственный предок тРНК всех специфичностей, то как могла подобная трансляционная система действовать, точнее, как она могла обеспечивать специфичность кодирования аминокислотных последовательностей нуклеотидными? Если же на этом этапе трансляционной системы еще не существовало, то что привело к эволюции специфичной к аминокислотам тРНК?

Мы обратимся к этим и смежным вопросам ниже, но сначала следует хотя бы кратко рассмотреть центральное понятие в области исследования происхождения жизни: мир РНК.

Центральная догма молекулярной биологии (Crick, 1970) постулирует, что информация передается от ДНК к белку посредством РНК (Фрэнсис Крик дополнил ее возможностью обратной передачи информации от РНК к ДНК после открытия обратной транскрипции):

Очевидно, размышляя о происхождении первых живых форм, мы оказываемся перед вопросом типа «курица или яйцо»: что появилось первым – ДНК или белок? ген или его продукт? В такой постановке вопрос, естественно, неразрешим из-за парадокса Дарвина – Эйгена: чтобы реплицировать и транскрибировать ДНК, нужны функционально активные белки, но производство этих белков, в свою очередь, требует точной репликации, транскрипции и трансляции нуклеиновых кислот. Если строго следовать центральной догме, невозможно вообразить, каким мог быть начальный материал для цикла Дарвина – Эйгена. Даже вынесение ДНК из триады и постулат о том, что изначальный генетический материал состоял только из РНК (и сведение, таким образом, триады к диаде), хоть и является ценной идеей (см. следующую главу), но не помогает разрешить парадокс. Чтобы эволюция в сторону усложнения началась, система должна каким-то образом вступить в цикл Дарвина – Эйгена до того, как установится связь между РНК-матрицами (информационной частью системы) и белком (исполнительной частью).

Блестяще остроумное и, по-видимому, единственное решение было предложено независимо К. Вёзе, Ф. Криком и Л. Оргелом в 1967–1968 годах (Crick, 1968; Orgel, 1968; Woese, 1967): ни курица, ни яйцо, но то, что между ними, – одна РНК. Уникальным свойством РНК, делающим ее вероятным и, скорее всего, наилучшим кандидатом на главную роль в древнейшей репликационной системе, является ее способность сочетать в себе информационные и каталитические функции. Было очень заманчиво предположить, что первые репликаторные системы – первые формы жизни – состояли только из молекул РНК, действующих и как носители информации (геномы и гены), и как катализаторы различных реакций, включая в том числе синтез их самих и их предшественников. Это смелое предположение получило блестящее подтверждение с открытием и последующим изучением рибозимов (ферментов РНК): Томас Чек и коллеги в 1982 году открыли автокаталитическое расщепление интрона рРНК инфузории Tetrahymena , а в 1983 году Сидней Альтман и коллеги показали, что РНКаза P является рибозимом. Следом за этими эпохальными открытиями изучение рибозимов выросло в огромную самостоятельную и растущую область исследований (Cech, 2002; Doudna and Cech, 2002; Fedor and Williamson, 2005).

Открытие рибозимов сделало чрезвычайно привлекательной идею о том, что первые репликаторы целиком состояли из молекул РНК, катализировавших свою собственную репликацию. В 1986 году Уолтер Гилберт ввел термин «мир РНК» для обозначения этой гипотетической стадии эволюции жизни, и гипотеза мира РНК завоевала широкую популярность, став ведущей и самой популярной гипотезой о ранних стадиях эволюции. (Различные аспекты гипотезы мира РНК и подтверждающие ее данные основательно рассмотрены в одноименной книге, вышедшей в 2010 г. в 4-м издании: Atkins et al., 2010.)