Происхождение жизни. От туманности до клетки - Михаил Никитин

Как мы обсуждали в главе 10, ряд витаминов возник еще в эпоху мира РНК, до появления белков. Аминокислоты химически более разнообразны, чем нуклеотиды, и до появления белков они могли участвовать в функционировании РНК-мира в том же статусе, что и витамины: как вспомогательные группы, пришитые к молекулам РНК. Таким образом, рибозимы с функцией аминоацил-тРНК-синтетаз, т. е. способные прикреплять аминокислоты к тем или иным РНК, могли быть востребованы задолго до появления белкового синтеза. Такие рибозимы получены в ходе экспериментов по искусственному отбору каталитических РНК, и по скорости и точности работы они практически не уступают белковым аминоацил-тРНК-синтетазам.

Последовательность всех белков закодирована в последовательности ДНК. В состав белков входит 20 разных аминокислот, а в ДНК – только 4 нуклеотида. Надо как-то сопоставить эти два алфавита друг с другом.

Из 4 типов нуклеотидов можно составить 16 разных двоек или 64 тройки. Поэтому, чтобы закодировать все разнообразие аминокислот, приходится использовать по три нуклеотида на одну аминокислоту. Тройка (триплет) нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту, называется «кодон». В клетках обычно с последовательности ДНК, кодирующей белок, делаются временные копии – матричные РНК (мРНК). Этот процесс называется «транскрипцией». Затем рибосома связывается с матричной РНК, движется по ней и собирает белок в соответствии с последовательностью матричной РНК. Работа рибосомы с мРНК называется «трансляцией».

Как рибосома переводит кодоны матричной РНК в аминокислоты? В этом ей помогают специальные адаптеры, или переходники – транспортные РНК (тРНК). Один конец тРНК связывается с аминокислотой (акцепторный стебель, рис. 13.2), а другой – с кодоном (антикодон – три нуклеотида на конце антикодоновой петли).

Соответствие транспортных РНК и аминокислот обеспечивается работой специальных ферментов – аминоацил-тРНК-синтетаз. В клетках, как правило, есть 20 типов аминоацил-тРНК-синтетаз, каждая из которых узнает одну аминокислоту и соответствующие ей транспортные РНК и соединяет их.

В рибосому аминокислоты поступают только в связанном с тРНК виде (аминоацил-тРНК). Рибосома не может проверить соответствие аминокислоты и тРНК и полностью полагается в этом вопросе на аминоацил-тРНК-синтетазы. Рибосома проверяет только соответствие тРНК и кодонов матричной РНК.

В структуре рибосомы есть два «кармана» для связывания транспортных РНК. Они называются «А-сайт» и «Р-сайт». Новая тРНК, несущая аминокислоту, входит сначала в А-сайт. В Р-сайте в это время находится предыдущая тРНК, к которой прикреплена недостроенная белковая цепь. В глубине обоих «карманов» проходит матричная РНК. Для прочного связывания транспортных РНК в А-сайте и Р-сайте надо, чтобы антикодон тРНК составил три комплементарные пары с кодоном мРНК. Если в А-сайт вошла правильная тРНК (ее антикодон соответствует кодону мРНК), то дальше аминокислота на ее конце реагирует с белковой цепью на тРНК в Р-сайте. Происходит транспептидазная реакция: белковая цепь переносится с тРНК в Р-сайте на аминокислоту на тРНК в А-сайте (рис. 13.1). После этого «пустая» тРНК выходит из Р-сайта, а рибосома делает шаг по матричной РНК. При этом мРНК продвигается на один кодон, а тРНК с белковой цепочкой из А-сайта перемещается в Р-сайт. Дальше рибосома опять может принять аминоацил-тРНК в А-сайт и повторить свой рабочий цикл.

Правило соответствия 64 кодонов и 20 аминокислот называют «генетическим кодом» и обычно записывают в виде таблицы (табл. 13.1). Подобные таблицы соответствия между двумя алфавитами давно применялись в практике шифрования. Те читатели, чья работа связана с компьютерами, вспомнят таблицы компьютерных кодировок – ASCII, Win1251, UTF-8 и другие. Таблица ASCII, например, связывает 128 букв латиницы, цифр и других символов со 128 группами по 7 бит (нулей или единиц).

Если в компьютерных кодировках каждому символу соответствует только одна комбинация бит, и наоборот, то в генетическом коде многим аминокислотам соответствуют несколько кодонов. Например, для глицина есть четыре кодона: GGU, GGC, GGA, GGG. Это свойство генетического кода называется «вырожденность».

Кроме 20 аминокислот генетический код содержит знаки начала и конца белковой последовательности. Знаки конца белка называются «стоп-кодонами», их три: UAG, UAA и UGA. Знак начала одновременно служит кодоном метионина – AUG.

Для чтения 61 кодона аминокислот, казалось бы, нужен 61 тип тРНК. Реально во многих случаях одна тРНК может распознавать сразу два похожих кодона одной аминокислоты. Поэтому в клетках содержится менее 61 типа транспортных РНК, например, 49 – у человека и 41 – у кишечной палочки.

Происхождение транспортных РНК

Транспортные РНК (тРНК) – скорее всего, самая древняя деталь системы синтеза белка. Все эти небольшие (обычно 76 нуклеотидов длиной) молекулы имеют одинаковую пространственную укладку с четырьмя двухспиральными участками, которая на плоскости изображается в виде клеверного листа (рис. 13.3). На «черешке» у всех тРНК есть свободный одноцепочечный фрагмент ССА (цитозин-цитозин-аденин), к которому прикрепляется аминокислотный остаток.

Но эти «клеверные листы» используются не только в производстве белков. Как выяснилось, тРНК-подобные структуры участвуют в копировании геномов РНК-вирусов. Такая структура есть, например, на конце одноцепочечного РНК-генома бактериофага[9] Qβ, причем для его узнавания вирусная РНК-полимераза нуждается в помощи бактериальных белков, в норме связывающих транспортные РНК (Weiner and Maizels, 1987). В РНК-вирусах растений встречаются еще более точные аналоги – например, тРНК-подобную структуру из вируса желтой мозаики турнепса узнают бактериальные ферменты, работающие с собственными бактериальными тРНК (Joshi et al., 1984)! Другие вирусы, например, вирус мозаики цветной капусты, используют клеточные тРНК как затравки для синтеза первой цепи ДНК на матрице РНК (Hohn et al., 1985).

У этих и других вирусов создание новой цепи РНК всегда начинается с двух гуаниновых нуклеотидов, комплементарных двум цитозинам в одноцепочечном ЦЦА-участке тРНК-подобной структуры (рис. 13.2). Гуанин в данном случае выбран, скорее всего, потому, что он образует больше всего водородных связей как с другой цепью РНК, так и с молекулой фермента. Таким образом, аденин на самом конце РНК-матрицы не будет скопирован и должен быть достроен отдельно.

И в самом деле, различные вирусные РНК-полимеразы (например, бактериофага Qβ) и даже клеточные ДНК-полимеразы, доходя до конца матричной цепи, добавляют на конце растущей цепи один лишний аденин. Это особенно странно для бактериальных ДНК-полимераз, которые копируют кольцевые ДНК и в норме никогда не сталкиваются с концом матричной цепи. Еще одна странность проявляется в процессе созревания тРНК: сначала специальный фермент РНКаза Р обрезает концы незрелых транспортных РНК, удаляя в том числе нуклеотиды ССА, а потом ССА достраиваются обратно другим ферментом – нуклеотидилтрансферазой.

Из всех этих фактов участия тРНК-подобных структур в репликации была построена гипотеза «геномной метки» (genomic tag hypothesis). Подробное изложение см. в сборнике «RNA World» (Cold Springs Harbor press, 1999).

Эта гипотеза утверждает, что в РНК-мире тРНК-подобные «клеверные листы» появились на концах геномных молекул. Они служили местом начала копирования и защитными концевыми структурами генома. Из-за этого появились и ферменты для достройки ССА-участков, и функция добавления неспаренного концевого аденина различными полимеразами. У тех молекул, которые должны были работать рибозимами и не участвовать дальше в копировании, фермент – предшественник РНКазы Р отрезал «клеверный лист». Этот фермент и по сей день имеет в своем составе маленькую РНК-молекулу, что говорит о том, что он очень древний. Отрезанные «клеверные листы» накапливались, и в какой-то момент для них нашлась новая функция: они стали служить адаптерами для прикрепления аминокислот к рибозимам, причем аминокислоты пришивались к ССА-хвосту, а для связывания с рибозимами служили другие участки молекулы, в том числе будущая антикодоновая петля (Szathmáry, 1993).

Итак, вспомогательные молекулы белкового синтеза изначально имели другие функции и могли возникнуть раньше, чем рибосомы. Но как могла появиться сложно устроенная рибосома из десятков взаимосвязанных, подогнанных друг к другу молекул? Допустим, что первая рибосома обходилась без белков (на эту возможность намекает тот факт, что присоединение новой аминокислоты к цепочке до сих пор катализируется РНК). Но рибосомные РНК сами по себе очень сложны.

История рибосомных РНК

Изучение структуры рибосомной РНК (рРНК) показало, что она могла быть построена постепенно, путем добавления новых блоков к уже существующим. Рибосомная РНК большой субъединицы состоит из шести относительно самостоятельных структурных блоков, или доменов (отмечены римскими цифрами на рис. 13.4). Структура каждого домена определяется прежде всего связями внутри него.