Происхождение жизни. От туманности до клетки - Михаил Никитин

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.

В рибосоме домены образуют что-то вроде трехмерного пазла. Причем собрать этот пазл, не ломая детали, можно только в одном порядке, начиная с пятого домена. Это наводит на мысль, что пятый домен древнее всех остальных.

Подозрения подтверждаются, если изучить распределение одного из типов связей между участками РНК, так называемых А-минорных контактов. Это музыкальное название обозначает водородные связи между несколькими последовательными аденинами в одноцепочечном участке и гидроксильными группами рибозы в двухцепочечном участке. Такая связь важна для устойчивости одноцепочечного участка, но не влияет на двухцепочечный, поэтому она могла возникнуть, только если одноцепочечная сторона А-минорного контакта возникла позднее, чем двухцепочечная.

На рисунке 13.4 мы видим распределение таких контактов в большой рибосомной РНК кишечной палочки. Видно, что большинство контактов направлены к пятому домену. Это означает, что пятый домен был древнейшим, а остальные части рибосомной РНК надстроились позже (К. Боков, С. Штейнберг, 2009). Некоторые ученые пришли к аналогичным выводам, используя другие признаки: с удалением от пятого домена, в котором находится пептидил-трансферазный центр (именно там и производится присоединение одной аминокислоты к другой в цепочку), уменьшается содержание ионов магния, увеличивается доля белков и повышается упорядоченность их укладки, а в самом пептидил-трансферазном центре белков нет вовсе (Hsiao еt al., 2009). Недавно эти эволюционные реконструкции получили экспериментальное подтверждение: была синтезирована рибосомная РНК длиной 615 нуклеотидов (в 5 раз меньше, чем в обычных бактериальных рибосомах), состоящая из целого пятого домена и древних фрагментов второго и четвертого доменов. Она оказалась способна к взаимодействию с транспортными РНК и к проведению пептидил-трансферазной реакции (Hsiao et al., 2013).

Современные рибосомы состоят из двух субъединиц. Если большая непосредственно сшивает аминокислоты, то малая субъединица организует взаимодействие транспортной РНК с матричной, контролирует соответствие кодона антикодону, первой садится на матричную РНК и ищет место начала синтеза белка, а также двигает матричную РНК через рибосому. Молекулы транспортных РНК одним концом (акцепторный стебель) связываются с большой субъединицей, а другим (антикодоновая петля) – с малой.

Когда методы определения возраста доменов рибосомной РНК были применены к малой субъединице, результат оказался похож на тот, что мы видели для большой: древнейшей частью молекулы оказался декодирующий центр, в котором происходит связывание антикодоновой петли тРНК с матричной РНК и считывание последовательности матричной РНК. В обоих рибосомных РНК участки, отвечающие за связь субъединиц между собой, моложе, чем пептидил-трансферазный и декодирующий центры (Harish & Caetano-Anolles, 2012).

Получается, что две субъединицы рибосомы сначала существовали по отдельности и только потом объединились. Как могла работать древняя большая субъединица рибосомы без белков и без части доменов рРНК? На пятом домене находится пептидил-транферазный центр рибосомы – он присоединяет новые аминокислоты к растущему полипептиду. Однако этот домен не умеет связываться с матричной РНК и потому никак не может выстроить последовательность аминокислот в цепочке белка. Получается, что древняя большая субъединица рибосомы собирала пептиды из аминокислот без участия матричной РНК и использовала какие-то другие механизмы для контроля их последовательности. Дальше в этой главе мы рассмотрим, какие это могли быть пептиды и какими способами рибосома могла контролировать их последовательность до появления матричных РНК.

РНК малой субъединицы тоже вела какую-то свою, самостоятельную жизнь до того, как войти в состав рибосомы. Исследователи склоняются к тому, что раньше она работала в качестве РНК-полимеразы или РНК-лигазы, то есть строила новые молекулы РНК из отдельных нуклеотидов или из коротких фрагментов по несколько нуклеотидов. Ее современные функции – движение по матричной РНК и контроль комплементарности кодона с антикодоном – близки к функциям полимераз. Полимеразы тоже движутся по копируемой нити РНК и контролируют комплементарность присоединяемого нуклеотида (Noller, 2010). Так что, похоже, малая субъединица вошла в состав рибосомы, когда происходил переход к белкам, кодируемым при помощи матричных РНК.

История генетического кода

О дальнейших этапах развития синтеза белков нам может рассказать таблица генетического кода (табл. 13.1).

Существуют четыре основные идеи происхождения связи между аминокислотами и нуклеотидными триплетами. Это теория «застывшей случайности», теория оптимизации на минимум ошибок белкового синтеза, теория структурного соответствия аминокислот кодонам («ключ-замок») и теория коэволюции кодонов и путей биосинтеза аминокислот (Koonin, Novozhilov, 2009).

Первая теория («застывшей случайности») заявляет, что соответствие аминокислот и кодонов когда-то установилось случайно, а потом таким и осталось, потому что любое изменение нарушит структуру сразу многих белков и приведет к гибели клетки. Очевидно, это почти ничего не объясняет.

Вторая, теория оптимизации, утверждает, что генетический код устроен так, чтобы при самых частых ошибках рибосомы аминокислоты заменялись на максимально похожие. Рибосома иногда допускает неточное соответствие кодона мРНК антикодону тРНК, что приводит к включению в белок неправильной аминокислоты. Эти ошибки следуют своим закономерностям: ошибка в третьем нуклеотиде вероятнее, чем в первых двух; перепутать два нуклеотида одного размера (A с G или U с C) проще, чем большой с маленьким (например, А с С).

Как видно из таблицы генетического кода, многие аминокислоты кодируются четырьмя кодонами – последний нуклеотид часто не важен вовсе. Но там, где последний нуклеотид играет роль в выборе аминокислоты, ошибка в нем обычно не так опасна, как могла бы быть в других вариантах генетического кода. Из 20 аминокислот стандартного набора (рис. 13.5) очень мало по-настоящему уникальных. Большинство аминокислот образуют группы из нескольких сходных по размеру и химическим свойствам. Например, валин, лейцин и изолейцин похожи друг на друга, и замена одной из этих трех аминокислот на другую, скорее всего, не испортит белок. Аналогично похожи и во многих случаях взаимозаменяемы аспрагиновая и глутаминовая кислоты, и их кодоны отличаются только в последнем нуклеотиде.

Подсчитано, что стандартный генетический код по устойчивости к ошибкам входит в 0,1 % лучших из возможных, но он не самый лучший. Например, кодон триптофана, UGA, проще всего перепутать с UGG (A либо G в третьем нуклеотиде). UGG является стоп-кодоном, т. е. служит «знаком препинания» для обозначения конца белка в матричной РНК. Если перепутать его с UGA, то вместо завершения белковой цепи к ней присоединится лишний триптофан, а за ним еще какое-то количество лишних аминокислот, пока рибосома не встретит следующий стоп-кодон. Если же произойдет путаница в другую сторону, то вместо вставления триптофана произойдет завершение синтеза белка и получится ошибочный укороченный белок. Поэтому, если стоп-кодон UGA станет кодировать триптофан, помехоустойчивость кода возрастет.

Именно такие изменения кода происходят в малых геномах, например геномах митохондрий (подробнее в главе 18). Так что на формирование стандартного генетического кода влияли и другие факторы, кроме отбора на минимум ошибок. Теория структурного соответствия («ключ-замок») утверждает, что молекулы аминокислот соответствуют по форме кодонам (или антикодонам) РНК, подобно тому как ключ подходит к замку. Благодаря такому соответствию формы кодоны (или антикодоны) способны специфически связывать «свои» аминокислоты, и это взаимодействие дало начало генетическому коду. Действительно, в экспериментах по отбору РНК, хорошо связывающих определенную аминокислоту, в ряде случаев полученные молекулы были обогащены как кодонами, так и антикодонами этой аминокислоты. Самое сильное связывание между аминокислотами и их кодонами наблюдалось для аргинина, изолейцина, гистидина, триптофана и фенилаланина. Все эти аминокислоты относятся к крупным и сложным и, вероятно, появились в составе белков позже, чем самые простые аминокислоты, такие как глицин, аланин, серин и аспарагиновая кислота. К сожалению, так и не удалось создать РНК, связывающие эти простые и древние аминокислоты.