Происхождение жизни. От туманности до клетки - Михаил Никитин

Только два белка системы транскрипции унаследованы бактериями и археями от LUCA. Это ДНК-зависимая РНК-полимераза и транскрипционный фактор NusG. Он регулирует как раз досрочное отделение РНК-полимеразы. Сложные системы начала транскрипции у бактерий и архей не имеют между собой ничего общего. Следовательно, транскрипция была у LUCA, но регулировалась совсем не так, как в современных клетках.

Система репликации (так в молекулярной биологии называют копирование) ДНК у бактерий и архей устроена в общих чертах похоже, но одинаковые роли в ней играют разные, часто совершенно неродственные белки. То же относится и к системе синтеза дезоксинуклеотидов для ДНК. Мы в деталях рассмотрим сходства и различия этих систем у бактерий и архей ниже в данной главе. Это касается, прежде всего, главного участника процесса – ДНК-зависимой ДНК-полимеразы. Данный фермент у архей и бактерий отличается разительно.

Ферменты, которые делают дезоксинуклеотиды для построения ДНК, тоже, скорее всего, возникали не один раз. Существует два неродственных семейства тимидилат-синтаз, ThyA и ThyX, которые много раз подвергались горизонтальным переносам. Оба семейства есть среди бактерий, архей и вирусов, так что мы не знаем, у кого они впервые возникли.

Рибонуклеотид-редуктазы делятся на три семейства, отличающихся коферментами, механизмами реакции и чувствительностью к кислороду. Все три семейства известны у бактерий, архей, эукариот и вирусов, и часто у одного организма есть рибонуклеотид-редуктазы разных семейств. У бактерий Lactobacillus casei и Pseudomonas aeruginosa есть все три семейства, которые используются в зависимости от наличия кислорода. При этом на уровне трехмерной структуры все три семейства сходны между собой и с еще одним ферментом – пируват-формат-лиазой, разделяющей молекулу пировиноградной кислоты на ацетил-КоА и муравьиную кислоту. Так что мы не знаем, имеют ли рибонуклеотид-редуктазы единое происхождение или они несколько раз возникали из других ферментов, проводящих реакции с радикалами, например пируват-формат-лиазы.

Мы видим, что различные клеточные системы пришли к современному виду не одновременно. Устройство рибосом стабилизировалось еще до LUCA, а вот системы транскрипции и особенно репликации (копирования) ДНК пришли к современному виду уже после разделения бактерий и архей.

Геномный материал LUCA и предшествующих стадий эволюции

На основании того, что ключевые ферменты копирования ДНК у бактерий и архей не просто разные, а явно неродственные, было выдвинуто предположение, что LUCA еще обладал РНК-геномом, а переход к ДНК произошел независимо в линиях бактерий и архей (Forterre, 2006). Но эту идею трудно примирить с другими данными.

Сравнительная геномика показывает, что у LUCA было более 1000 генов. Такое количество генов общего предка бактерий и архей означает, что его геном имел достаточно большой размер, порядка 2 млн пар нуклеотидов (для сравнения: геном кишечной палочки имеет длину около 4 млн пар нуклеотидов, самый маленький геном свободноживущей бактерии Pelagibacter ubique – около 1,3 млн пар нуклеотидов). РНК-геномы современных вирусов не превышают 30 000 пар нуклеотидов, тогда как у ДНК-вирусов они достигают 2 млн пар. Размер РНК-геномов ограничен по многим причинам. Во-первых, цепь РНК подвержена самопроизвольным разрывам и еще легче разрывается ионами железа, щелочами и просто высокой температурой. Во-вторых, одно из азотистых оснований – цитозин – в воде постепенно теряет аминогруппу (дезаминируется), превращаясь в другое основание – урацил. В-третьих, при образовании шпилек в РНК нередко образуются каталитические активные участки-рибозимы, которые разрезают себя сами.

Все эти недостатки РНК устранены в ДНК. ДНК содержит дезоксирибозу, не имеющую 2' – гидроксильных групп, с которых начинается большинство реакций гидролиза (рис. 14.1). Эти же гидроксильные группы важны для каталитической активности РНК, поэтому ДНК в отличие от РНК не образует саморазрезающихся рибозимов. Наконец, вместо урацила в ДНК содержится его аналог с дополнительной метильной (СН3) группой – тимин, поэтому урацил, получившийся при дезаминировании цитозина, легко можно обнаружить и починить.

Как показано в работах Манфреда Эйгена, для поддержания структуры живой системы из поколения в поколение необходимо, чтобы среднее количество новых значимых (т. е. сильно влияющих на приспособленность) мутаций в каждом поколении не превышало одной. Все современные организмы, имеющие геномы в диапазоне от 5000 до 5 000 000 нуклеотидов (а это вирусы и бактерии), имеют частоту мутаций в пределах 0,5–1 за поколение, что ниже порога Эйгена. Животные и растения с большими геномами обошли это ограничение за счет избыточности многих генов и полового размножения (так, у человека в среднем происходит 30 новых мутаций за поколение), но вряд ли эти механизмы работали в РНК-мире. Частота мутаций складывается из двух факторов: частоты ошибок при копировании генома и частоты повреждений генома между копированиями. Точность работы РНК-зависимой РНК-полимеразы в принципе может быть достаточно высокой: в экспериментах по искусственному отбору точность РНК-полимеразы вируса желтой лихорадки была доведена до 1 ошибки на 5 000 000 нуклеотидов, что близко к точности бактериальных ДНК-полимераз (Pugachev et al., 2004). Однако уязвимость РНК к гидролизу и дезаминированию цитозина неизбежно вызывает частое появление мутаций между копированиями и ограничивает размер РНК-генома на уровне менее 100 000 пар нуклеотидов.

Реакция превращения рибозы в дезоксирибозу очень сложна и связана с образованием опасных радикалов. Рибозимы не могут ее проводить, так как будет повреждаться рибоза в их структуре. Все известные ферменты, проводящие эту реакцию (рибонуклеотид-редуктазы), – большие белки размером около 1000 аминокислот, т. е. для их кодирования нужно как минимум 3000 нуклеотидов. Поэтому между РНК и ДНК-геномами, возможно, были промежуточные стадии, более простые в получении, чем ДНК, но более стабильные, чем РНК. Одной из таких промежуточных стадий мог быть метил-РНК-геном (Poole et al., 2000). В современных рибосомных и некоторых других клеточных РНК к отдельным 2' – гидроксильным (-ОН) группам рибозы присоединены метильные (-СН3) группы (рис. 14.1, справа). Это блокирует «паразитные» каталитические процессы и защищает цепь РНК от гидролиза в метилированном месте. Метилирование РНК у архей и эукариот делается одним ферментом при помощи «направляющих» малых ядрышковых РНК (мяРНК, snoRNA). Метилированию подвергается до 1–2 % нуклеотидов рибосомной РНК в клетках, а в пробирке в отсутствие мяРНК тот же фермент может прометилировать до 8 % нуклеотидов. Стабильность метил-РНК генома могла отодвинуть предел Эйгена в несколько раз по сравнению с РНК-геномом, возможно, до 300 000–500 000 пар нуклеотидов.

LUCA – организм или сообщество?

Предельный размер метил-РНК-генома недостаточен для кодирования всех белков, которые были у LUCA. Что еще важнее, в наборе генов LUCA закодированы дублирующие пути обмена веществ, которые разными способами дают один и тот же продукт. В современных клетках это бывает редко, и обычно два альтернативных пути работают в разных условиях, например при наличии и отсутствии кислорода. Так, в работе Браакмана и Смита (2013) изучалась эволюция путей фиксации углекислого газа, начиная от LUCA. Авторы пришли к выводу, что у LUCA было дублирование путей фиксации CO2, причем оба пути – восстановительный цикл Кребса и ацетил-КоА-путь – работали одновременно. Они предположили, что такое дублирование обеспечивало надежность обмена веществ в условиях несовершенной регуляции генов и слабой изоляции внутренней среды организма от внешней. Но вряд ли этим можно объяснить все случаи дублирования биохимических функций LUCA.

По набору путей обмена веществ получается, что общий предок мог «в одиночку» составлять целую экосистему с замкнутыми геохимическими циклами, что практически не встречается в современной биосфере. Лишь недавно в золотой шахте на глубине свыше 2 км была найдена бактерия Desulforudis audaxviator, полностью обеспечивающая себя всем необходимым без помощи других видов (см. http://elementy.ru/news/430872), но это удивительное исключение. Иными словами, по разнообразию путей обмена веществ последний общий предок больше похож на современное микробное сообщество из многих видов, чем на любой отдельный вид бактерий или архей.

На основе этих данных выдвигались радикальные идеи относительно неклеточной природы общего предка. Например, в статье Мартина и Рассела (2007) рассматривается LUCA в виде сообщества генетических элементов, населяющих микронного размера поры в сульфидных отложениях горячих источников. Стенки в минеральных осадках разделяют протоклетки друг от друга, выполняя функцию мембран. Хотя подобная стадия наверняка была в начале эволюции РНК-мира, присутствие ряда мембранных белков в реконструированном наборе генов LUCA, например, роторной АТФазы, говорит о наличии у него мембран. В последнее время исследователи (например, Koonin, 2009) склоняются к представлению о LUCA как о сообществе молекул РНК и ДНК, обитавшем на поверхности минералов, но имевшем липидные мембраны (вопросу эволюции мембран посвящена следующая глава). Мембраны могли покрывать плоские скопления белков и нуклеиновых кислот на поверхности минерала, чтобы уменьшить их размытие в воду, а также формировать свободно плавающие мембранные пузырьки – расселительные стадии плоских «организмов-сообществ», первые объекты, похожие на клетки.