РНК-мир

Участник:

Алексей Рязанов – доктор биологических наук

Алексей Рязанов: Начну с того, что расскажу, как вообще появилось представление о мире РНК. Собственно, молекулярная биология началась ровно 50 лет назад. Потому что весной 53-го года была опубликована статья Уотсона и Крика, где они установили структуру двойной спирали ДНК. И, в общем-то, сразу после этого стало понятно, как кодируется биологическая информация, и родилась центральная догма молекулярной биологии. Согласно этой догме, информация закодирована в ДНК, в генах. Потом эта информация перечитывается в РНК, затем – в белок. Вот такая догма: ДНК – РНК – белок. И, согласно этой догме, нуклеиновые кислоты, ДНК и РНК, несли информативную функцию, а остальные все функции были отведены белкам. Но на самом деле вскоре после открытия структуры ДНК и установления центральной догмы молекулярной биологии стало ясно, что РНК, возможно, имеет не только информативную функцию.

И вот здесь Александром Сергеевичем Спириным и его учителем Андреем Николаевичем Белозерским было сделано принципиальное открытие. В середине 50-х годов они изучали нуклеотидный состав РНК и ДНК у разных бактерий. ДНК и РНК состоят из четырех нуклеотидов. Это аденин, гуанин, цитозин и тимин. Но соотношение этих нуклеотидов может сильно варьироваться у разных организмов. Спирин и Белозерский, изучая нуклеотидный состав ДНК у разных бактерий, обнаружили сильную вариацию. То есть, у некоторых видов бактерий было очень много Г и Ц, а у других бактерий было очень много А и Т. И также они в этих опытах изучили нуклеотидный состав РНК. И обнаружили удивительную вещь. Оказалось, что нуклеотидный состав у разных бактерий в ДНК сильно отличался. В то время как нуклеотидный состав в PHK был более-менее постоянным.

И это, собственно, выглядело очень удивительно, потому что считалось, что нуклеотидный состав РНК должен отражать состав ДНК. И коль скоро оказалось, что отсутствовала такая прямая корреляция, стало ясно, что основная масса РНК несёт какую-то другую функцию. Не участвует непосредственно в переносе информации от ДНК к белку. С другой стороны, когда они построили график состава нуклеотидов в РНК и сравнили с составом ДНК в разных бактериях, стало ясно, что существует слабая корреляция. То есть, отсюда следует, что существует небольшая фракция РНК, которая действительно соответствует ДНК и которая является переносчиком информации между ДНК и белками, но при этом основная масса РНК, очевидно, выполняла какую-то другую функцию – структурную или функциональную. И на самом деле отсюда, по-видимому, стоит начать отсчёт этой истории со всякими нетрадиционными функциями РНК, которая, в конце концов, привела к идее рибозимов и идее РНК-мира.

Но здесь, я думаю, стоит сначала обсудить, откуда взялась идея рибозимов и РНК-ферментов. Я, когда был ещё студентом, собственно, наблюдал всю эту историю с самого начала. Потому что это всё произошло сравнительно недавно, в начале 80-х годов. Я тоже интересовался происхождением жизни и в какой-то момент понял, что на самом деле центральным вопросом в происхождении жизни является вопрос о том, как нуклеиновые кислоты, информация, которая находится в нуклеиновых кислотах, переводится в информацию белковую. И возникла тогда такая идея, что, возможно, те белки, которые устанавливают соответствие между аминокислотами и нуклеотидами, на самом деле являлись не чисто белками, а состоят из белковой части и нуклеиновой части. И я стал собирать информацию о разных ферментах, которые были белками, но при этом содержали в себе нуклеиновые кислоты. И в литературе было несколько таких примеров.

Во-первых, Сидни Олдман в Йельском университете показал, что есть такой фермент, который специфически расщепляет определённую РНК и этот фермент состоит из белковой части и части, представленной РНК. Тогда этому большого значения никто не придал, но, тем не менее, были такие данные. Потом в Институте биохимии имени Баха

Анна Николаевна Петрова изучала фермент амилаза. Это ветвящийся фермент, который ответственен за формирование гликогена. И тоже обнаружилось, что этот фермент в своём составе содержит РНК. В самом начале 80-х годов появилась работа Томаса Чака, который показал, что есть РНК, которые могут сами себя разрезать. И, собственно, это было открытием ферментативной активности у РНК.

И с тех пор было показано, что существует очень много разных ферментов, разных информативных активностей у РНК. То есть, стало очевидным, что РНК может обладать теми же свойствами, что и белки. И на самом деле здесь самое интересное следствие это то, что история с открытием рибозимов или РНК-ферментов привела к совершенно новой концепции происхождения жизни. Поэтому, я думаю, сначала стоит обсудить, какие вообще существовали теории происхождения жизни, и как открытие РНК-ферментов преобразило эту область. Наиболее научная теорией происхождения жизни была теория Александра Ивановича Опарина, которую он высказал в 20-е годы.

На этой картинке вы видите общую схему концепции Опарина. Он предполагал, что аминокислоты могут собираться в полипептиды, полипептиды могут собираться в белки. И далее эти белки могут агрегировать в так называемые коацерваты. И идею эту он заимствовал из коллоидной химии. Центральной идеей Опарина было то, что на каком-то этапе эволюции белки или какие-то сложные полимеры смогли обособиться от окружающей среды. И возникла идея этих коацерватов, то есть таких капель внутри раствора коллоидных частиц, которые могли накапливать различные биополимеры и могли расти, и могли как-то делиться. Но центральной проблемой здесь являлась проблема наследственности. Если даже какая-то новая функция возникла в таких каплях, непонятно, как она могла сохраниться, как она могла передаться потомству. Даже если эти капли могли расти и делиться. И, конечно, в общем-то, Опарин считал, что центральную роль в эволюции этих первых протоклеток играли белки, потому что в то время считалось, что только белки могут обслуживать метаболизм, могут выполнять каталитические функции. Но белки, к сожалению, не могут в отличие от нуклеиновых кислот. Поэтому когда обнаружили, что РНК может тоже выполнять те же функции, что и белки, катализировать химические реакции, ферментативные реакции, то, соответственно, сразу возникла идея, что, может быть, жизнь началась не с белков, а именно с РНК.

И вот в последние годы академик Спирин разработал новую концепцию происхождения жизни, в которой он сделал ряд предположений о том, как молекулы РНК могли, в конце концов, самоорганизоваться до такого уровня, чтобы стать живыми клетками.

Александр Гордон: Да, только у меня сразу возникает вопрос: а куда тогда девать ДНК, если РНК может выполнять функции и ДНК и белка – саморепликацию и ферментативную деятельность?

А.Р. Здесь так же, как с белками. То есть, РНК может выполнять и репликативные функции и ферментативные функции, но ферментативные функции белки выполняют лучше. То же самое и с ДНК. Для хранения генетической информации ДНК лучше.

А.Г. Чем РНК?

А.Р. Да.

А.Г. Но, в принципе, РНК…

А.Р. В принципе, РНК может делать то, что ДНК, и то, что белки.

А.Г. Вернёмся к спиринской теории возникновения жизни. Не очень понятно, с чего всё началось, то есть каким образом возникла РНК и реплицировала сама себя.

А.Р. Очевидно, что в какой-то момент должны были возникнуть рибонуклеотиды. И хотя существует масса опытов, где было показано, что абиогенно можно получить простейшие аминокислоты, можно получить довольно сложные органические соединения, но всё-таки нуклеотиды никто не смог получить абиогенным путём. Поэтому всё это ещё остаётся загадкой. Но, по крайней мере, здесь нет никаких принципиальных проблем, можно вполне себе представить, что это могло произойти. Мы просто не знаем, как это происходило. Потом в следующий момент эти нуклеотиды должны были соединиться в полимерную цепь, должны были образоваться олигонуклеотиды, которые потом должны были удлиняться. Здесь существует ряд проблем.

Во-первых, непонятно, как синтезировались нуклеотиды. Непонятно, как эти нуклеотиды соединялись друг с другом, как образовывались олигонуклеотиды. И, наконец, очень важная проблема: непонятно, откуда бралась энергия. Дело в том, чтобы такая система устойчиво работала, необходимо постоянное поступление энергии. Потому что даже если у вас случайно в какой-то момент синтезировался олигонуклеотид, но если у вас нет механизма подачи энергии, то вы не можете такую реакцию повторять многократно. Поэтому существует проблема нуклеотического цикла. Сразу скажу, что чётких ответов на эти вопросы нет. Хотя некоторые недавние работы, проведённые в Институте белка Александром Четвериным, как раз дают, по крайней мере, ответ на вопрос: как могли бы образовываться длинные полинуклеотиды и как они могли эволюционировать.

Четверин показал, что существует спонтанная реакция – рекомбинация. То есть в растворе молекулы РНК могут обмениваться своими участками. И в результате они могут удлиняться. И вот это, в принципе, объясняет, как могли бы образовываться длинные молекулы РНК. И, кроме того, из-за того, что молекулы РНК могут постоянно спонтанно обмениваться своими участками, также можно объяснить, как могли возникнуть разные варианты РНК. То есть, как могла возникнуть не просто информация, а полезная информация, но с продолжением.

Конечно, здесь надо допустить, что был какой-то механизм селекции, отбора таких молекул. По крайней мере, можно сейчас себе представить, что, в принципе, могли как-то абиогенно образоваться нуклеотиды, они могли собираться в более длинные нуклеотиды. И такие нуклеотиды могли эволюционировать.

Другое интересное открытие тоже было сделано лабораторией Четверина. Было показано, что РНК могут образовывать колонии. Вот также как микробиологи выращивают колонии бактерий, то точно также можно вырастить колонии РНК. Можно из одной молекулы РНК вырастить с помощью фермента, который будет считывать копии этой молекулы РНК, целую колонию РНК. Более того, поскольку сейчас уже известно, что таким ферментом может являться сама РНК, то можно вполне себе представить, что могут расти колонии РНК, катализируемые самими РНК. Это изображено на следующей картинке.

А.Г. Получается замкнутый цикл.

А.Р. Да. К сожалению, пока ещё не показано, что можно выращивать колонии РНК с помощью только РНК. Но, по крайней мере, показано, что это можно делать с помощью белкового фермента. Но принципиально никакого запрета нет. И, таким образом, мы уже получаем что-то очень похожее на живую систему. То есть, мы получаем сложные молекулы, которые могут расти в виде колоний. И на самом деле, как предполагает Спирин, поскольку РНК обладает самыми разными функциями, то могли возникать такие смешанные колонии из разных РНК с различными функциями, которые, в принципе обладают всеми основными атрибутами живого. То есть, они обладают метаболизмом и, благодаря тому, что они могут сами себя воспроизводить, здесь возможна эволюция и наследование каких-то новых признаков.

А.Г. Но в такой довольно замкнутой системе, где РНК самопроизводится, да ещё являясь ферментом, с трудом можно представить себе механизм эволюции.

А.Р. Да, давайте посмотрим на следующую картинку. Это как раз, вы знаете, очень интересный вопрос, потому что действительно непонятно, как в такой системе возникнет разнообразие. И вот здесь, пожалуй, центральная идея в концепции Спирина заключается в следующем. Конечно, если мы возьмём отдельную колонию или даже группу колоний, то трудно себе представить, чтобы из этого возникло что-то новое даже на протяжении миллионов лет.

Хотя – если допустить, что такие колонии существовали в масштабе всей Земли, то есть эта идея похожа на…

А.Г. Коацерватный бульон?

А.Р. Нет, это даже более радикальная идея. То есть, если у вас существовали так называемые лужи или лагуны, или какие-то небольшие озерца, в которых были молекулы РНК, и всё это происходило в масштабе всей планеты, то вполне можно допустить, что чередование высыхания таких водоёмов и потом последующего заполнения водой, могло приводить к тому, что у вас чередовались циклы селекции и циклы воспроизведения этих молекул РНК.

Когда эти молекулы находились в растворе, это сообщество РНК себя воспроизводило. Когда же эти озерца высыхали, то на их влажной поверхности образовывалась колония РНК – те самые колонии, которые открыл Четверин. И эти колонии могли как-то между собой конкурировать, тут возникал некий отбор и потом, когда снова эти лагуны заполнялись водой, то уже эти отобранные колонии начинали воспроизводиться. То есть здесь идея такая, что существовали сообщества РНК, в которых происходил постоянный обмен информацией. И здесь на самом деле эволюция могла идти довольно быстро. Потому что, как мы теперь знаем, существует спонтанная рекомбинация РНК. То есть, отдельные молекулы РНК могут обмениваться частями, они могут воспроизводиться. То есть, оказывается, что в мире РНК возможны очень сложные преобразования, которые вообще уже выглядят как живой организм. Хотя, конечно, здесь всё очень неточно. Поэтому упорядоченную эволюцию в такой системе представить сложно. Но, тем не менее, можно представить.

Да, но зато какое преимущество у такой системы. Здесь существует непрерывный обмен генетическим материалом и обмен информацией, и в принципе, здесь довольно быстро могли возникнуть какие-то совершенно новые функции.

А.Г. Однако здесь столько много белых пятен, что сейчас трудно даже представить себе… Ну, хорошо. Предположим, что колония РНК живёт и побеждает. Есть обмен информацией, есть отбор более ценной информации, есть обмен уже отобранной информации. Тогда зачем, на каком этапе, с какой целью появляется ДНК?

А.Р. Это на самом деле, вопрос несложный. Гораздо более сложный вопрос – это понять, как из таких сообществ РНК могли возникнуть клетки. И, конечно, надо понять, каким образом в этих колониях РНК появился синтез белка.

Но одно сейчас очевидно, что действительно на каком-то этапе существовал мир РНК. Потому что это не теоретические рассуждения, это действительно видно из всей молекулярной биологии. Во-первых, оказалось, что рибосома, основная молекулярная машина, которая, собственно, синтезирует белок, состоит в основном из РНК. В рибосоме

РНК играет не только структурную роль, но и функциональную роль. То есть, сейчас уже очевидно, что главная каталитическая функция рибосомы – катализ синтеза полипептида – выполняется исключительно РНК. То есть, белки в рибосоме выполняют вспомогательную роль. И существует ряд других указаний на то, что на самом деле более древними молекулами являются РНК, а не белки.

Теория Спирина о сообществах РНК и этом «солярисе» очень хорошо соответствует современным представлениям о том, как выглядел предшественник всех живых организмов. Сейчас можно изучать эволюцию нуклеотидных и белковых последовательностей и, сравнивая последовательность одних и тех же белков в разных организмах, построить эволюционное дерево. То есть, выяснить, кто от кого произошёл. И, в частности, для этого использовались обычно очень консервативные последовательности.

Например, последовательности рибосомных РНК. Потому что рибосомы и рибосомная РНК есть во всех организмах и все эти рибосомные РНК похожи. Но всё-таки они немножко отличаются.

Есть такой учёный Карл Вуз в Америке, который когда-то просто стал сравнивать последовательности разных РНК. В то время считалось, что есть бактерии, и есть эукариоты. То есть, все остальные животные, растения, грибы. И когда он стал изучать последовательности разных бактерий и эукариот, то оказалось, что существуют не две ветви у этого дерева, а три ветви. То есть, среди бактерий оказались такие бактерии, которые отстоят эволюционно также далеко от других бактерий, как эукариоты. И таким образом, были открыты архебактерии.

И вот недавно Карл Вуз задался вопросом, как выглядела самая первая клетка. Потому что, в принципе, по этому эволюционному дереву можно примерно представить себе, кто появился раньше – бактерии или эукариоты. Оказалось, что это очень сложно. И вот, анализируя различные данные, Вуз пришёл к выводу, что первый организм не являлся клеткой. Что это, скорее то, что он назвал прогенотом или протоорганизмом, очень похожим на спиринский «солярис» сообщества РНК. То есть, это сообщество макромолекулярных комплексов, которые могут сами себя воспроизводить, хотя делают это очень неточно. И могут обмениваться генетической информацией. И согласно Вузу, и согласно Спирину, клетки возникли именно из такого сообщества.

А.Г. Всё-таки, в чем принципиальное различие существования клетки, как организма, и колонии РНК в этом «солярисе», как вы его называете?

А.Р. Конечно, в клетках будет и классический дарвиновский отбор. Потому что, если в клетке возник какой-то новый признак, который закреплён в генах, он будет отбираться и наследоваться. В этих колониях такого жесткого наследования нет. Там если что-то возникло, оно может и потеряться. Но зато за счёт вот этого горизонтального переноса генетической информации…

А.Г. Будет большое количество комбинаций.

А.Р. Да, большое количество комбинаций может возникнуть за достаточно короткое историческое время. А мы теперь знаем, что жизнь возникла довольно быстро. То есть, если Земля возникла примерно четыре миллиарда лет назад, то жизнь явно уже существовала три с половиной миллиарда лет назад. То есть, жизнь возникла за 500 миллионов лет. Поэтому идея «соляриса» РНК на самом деле хорошо объясняет, как могла быстро возникнуть жизнь.

А.Г. Предположим, что РНК-мир, который ещё пока не нуждается ни в РНК, ни в собственно белке, существовал энное количество миллионов лет. После этого произошло нечто, что заставило белок, эту колонию, синтезировать белок, образовать клетку, пошла эволюция клетки. Стала необходимой уже не спонтанная передача генетической информации, а достаточно точная. И вот появляется на сцене ДНК. Откуда она появляется и как?

А.Р. Вот этого я тоже не могу вам сказать – откуда она появляется и как – но она возникла, несомненно, из РНК. И, кстати, есть много указаний на то, что ДНК вторична.

А.Г. Ну, хорошо. Опять вопрос может быть не к вам, а к Господу Богу. Если ДНК возникло из РНК, то почему РНК (передав ДНК функции, то есть выстроив ДНК в достаточно жёсткой функциональной схеме) осталась? Почему ДНК, возникнув, не взяла на себя все функции РНК, в том числе и производство белков?

А.Р. ДНК не совсем удобна для выполнения каких-то структурных функций, чтобы создавать какие-то уникальные структуры. Для этого РНК гораздо лучше приспособлена. И уж совсем ДНК не может выполнять ферментативные функции, потому что опять же для того, чтобы были ферментативные функции, нужна способность создавать уникальные сложные структуры со сложной поверхностью и какими-то специфическими участками. То есть, что умеют делать белки и РНК, но не ДНК. РНК осталась, потому что как раз эти функции нельзя было передать ДНК.

Другое дело, что многие ферментативные функции можно передать белкам. И действительно мы видим, что основная масса ферментов – это белки. Но, тем не менее, РНК сохраняется. И, кстати, вот ещё одно интересное, совсем недавнее свидетельство того, что РНК-мир не исчез, что он в нас присутствует.

Секвенирование геномов, то есть определение последовательности ДНК у разных организмов, привело к ряду интересных наблюдений. Во-первых, когда секвенировали геном мыши в прошлом году, в нём, как и у человека, нашли между тридцатью и сорока тысячами белковых генов. Но оказалось, что существует больше десяти тысяч генов, которые кодируют РНК, которые никогда в белок не превращаются, не транслируются в белок. То есть, многие из этих РНК оказались эволюционно консервативными. Оказалось, что они есть и у человека, и у крысы. То есть у нас, у млекопитающих, у людей существует целый мир РНК, о котором мы ничего не знаем. Возможно, это какие-то рибозимы, возможно они играют ещё какую-то роль, но, оказывается, существуют тысячи молекул РНК, функции которых мы не знаем. Так что внутри нас существует целый мир РНК, который мы только начинаем изучать.

А.Г. Для экспериментального подтверждения этой теории, кроме миллионов лет, что необходимо? Наверняка возможно создать такие условия, когда фактор времени будет не столь важным? Каким-то образом катализировать этот процесс?

А.Р. Да, здесь, на мой взгляд, есть ряд вполне реальных экспериментов. Например, можно попытаться создать такой рибозим, такой фермент, который бы состоял из РНК и который мог бы синтезировать новые молекулы РНК. То есть, научиться выращивать колонии РНК, не используя белки. Вот если бы это удалось, это был бы…

А.Г. Замкнутый цикл.

А.Р. Да. Это было бы очень серьёзным доказательством существования РНК-мира.

А.Г. Тогда, может быть, сделать вот что… Мы не так давно говорили о космических экспедициях в поисках жизни – может быть, искать не готовые образцы жизни в виде клеток и так далее. Может быть искать те самые колонии РНК, которые могут существовать на спутниках Юпитера или Марсе?

А.Р. Конечно, такие работы ведутся. Ищут не только готовые формы жизни, не только клетки, а вообще любые биологические молекулы. Поэтому изучаются метеориты…

А.Г. От первых РНК, к РНК, которые мы носим в себе. Вы сказали, что целый мир РНК существует и в нас, и в других животных, и в растениях. А какую роль, помимо установленной роли переносчика информации с ДНК и синтезирования белков, они ещё могут играть в нашем организме?

А.Р. Несомненно, часть этих РНК участвуют в каталитических процессах, то есть являются рибозимами – таких немного. РНК входит в состав целого ряда ферментов, важных ферментов. Например, есть РНК, который входит в состав фермента теломераза. Это фермент, который участвует в поддержании целостности концов хромосом. РНК входит в состав частиц, ответственных за транспорт белков, которые производятся на экспорт. Функции самые разнообразные…

А.Г. А чем вы занимаетесь сейчас и как РНК связано с этим?

А.Р. Здесь я могу сказать вот что. Если вы помните, когда мы с вами обсуждали, что же главное в старении, мы говорили, что очень важно воспроизводство белков, обновление белков. И вот в геронтологии многие обсуждают – что же более важно? Скажем, повреждение ДНК или повреждение белков в старении? И вот совсем недавно, несколько месяцев назад мы обнаружили совершенно неожиданную вещь. Оказалось, что ключевым в старении, по крайней мере для нематод, является повреждение РНК.

А.Г. А как происходит повреждение РНК?

А.Р. Мы ещё не знаем, но на самом деле в процессе старения у нематод происходит массивное повреждение РНК, которое гораздо сильнее, чем повреждение белка или повреждение ДНК.

А.Г. То есть, РНК – это всё-таки основа.

А.Р. Да, оказывается РНК – основа основ. Конечно, мы не знаем – так ли это для человека, но, по крайней мере, мы теперь точно знаем, что…

А.Г. …для нематод это так. Но это совсем свежие эксперименты, буквально сегодняшнего дня. А дальше логика развития этих экспериментов какая?

А.Р. Естественно, будем выявлять конкретный механизм: почему это происходит и можно ли это предотвратить?..