Генетический детектив. От исследования рибосомы к Нобелевской премии

В начале 1980-х в науке произошло важное событие, спровоцированное двумя учеными: Томом Чеком из Колорадо и Сидни Олтменом из Йеля. Чек искал фермент, отвечающий за реакцию, при которой отрезок РНК может самостоятельно отделяться от более длинного фрагмента. Олтмен, в свою очередь, изучал свойства фермента, способного расщеплять определенные молекулы РНК. Сам этот фермент представлял собой комплекс из белка и РНК, и, к удивлению Олтмена, оказалось, что сама ДНК-составляющая могла выполнять реакцию расщепления. Итак, группы обоих ученых показали, что РНК как таковая может совершать химические реакции. Ферменты, состоящие из РНК, были названы рибозимами, чтобы отличать их от более распространенных белковых ферментов. Хотя реакции с их участием выглядят обособленно, они сыграли колоссальную роль в происхождении жизни.

Возникновение жизни – одна из великих тайн, которые еще хранит природа. Любая жизнь требует энергии и химически подходящей окружающей среды. Некоторые специалисты указывали, что жизнь с точки зрения химии напоминает реакцию около геотермальных источников на дне океана. Но фундаментально жизнь – это не просто набор химических реакций; это механизм хранения и воспроизводства генетической информации, развивающий сложные организмы из более примитивных. Вирус тоже относится к живым существам, хотя многие в этом сомневаются, поскольку для размножения ему необходима клетка-хозяин.

Практически у всех живых организмов генетическая информация передается через ДНК, но сама ДНК инертна и собирается при помощи множества белковых ферментов, для синтеза которых требуется участие не только РНК, но и рибосом.

Чек и Олтмен показали, что РНК способна выступать носителем информации в виде последовательности оснований (как и ДНК), а также обеспечивать химические реакции, как это делают белки. Сегодня известно, что элементарные составляющие РНК можно получить из самых простых химических веществ, которыми Земля богата уже миллиарды лет. Поэтому вполне возможно представить, как жизнь могла зародиться из множества разных молекул РНК, которые потом «научились» самовоспроизводиться. Как только это произошло, эволюция и естественный отбор открыли путь к синтезу более сложных молекул, в конце концов породив нечто столь сложное, как первые рибосомы. В этом состоит идея «мира РНК» – этот термин, предложенный Уолли Гилбертом, прижился и стал популярен.

Возможно, рибосомы зародились в мире РНК и синтезировали белки, которые лучше РНК справились с большинством реакций за счет аминокислот. Таким образом, белки не только взяли на себя большинство функций РНК, но и стали решать новые задачи. Это также объясняет, почему, при всем изобилии РНК в рибосоме, те ферменты, которые реплицируют ДНК или синтезируют РНК на ДНК в качестве матрицы, сейчас полностью состоят из белков. Вероятно, дело в том, что ДНК стала использоваться для хранения генов позже, когда белки в клетке уже преобладали и отвечали за большинство протекающих в ней реакций.

Но это не объясняет, как появились гены. Наиболее правдоподобная версия такова: первые примитивные рибосомы собирали лишь короткие пептидные участки, которые помогали оптимизировать окружавшие их ферменты РНК. Но появление генов, кодирующих инструкции для синтеза белков, позволяющих сшивать аминокислоты в строго определенном порядке, все равно остается необъяснимым прорывом. Поскольку тогда наряду с большой субъединицей должно было возникнуть и множество других элементов: мРНК для передачи генетического кода, тРНК для доставки аминокислот и малая субъединица, которая стала бы служить платформой для связки мРНК и тРНК. До открытия катализа РНК оставалось непонятным, как могла зародиться такая система.

Почему именно РНК, а не ДНК, могла выполнять реакции? Основное отличие между ними заключается в наличии атома кислорода в рибозе (входящей в состав каждого нуклеотида РНК), который позволяет образовывать гидроксильную группу (OH). Теперь нам известно, что OH-группы из различных участков РНК могут связываться друг с другом и таким образом формировать трехмерные структуры наподобие белковых ферментов, образуя «карманы», в которых протекают химические реакции.

После открытий Чека и Олтмена все осознали, что Крик, вероятно, был прав, предполагая, что первобытные рибосомы полностью состояли из РНК. Что же делают современные рибосомы?