Учени от университета в Кеймбридж получиха нови доказателства в полза на хипотезата на РНК в света. Оказа се, че малките вериги на аминокиселини, когато се комбинират с РНК, подобряват техните каталитични свойства, позволявайки им да станат по-малко зависими от токсичните йони. И това е необходимо условие за формирането на първите клетки. "Lenta.ru" говори за работата, публикувана в списание Nature.
Според хипотезата на света на РНК животът е възникнал от проста биологична система, в която няма ДНК и протеинови молекули. Той се състоеше от РНК комплекси, способни не само да съхраняват генетична информация, но и катализират химичните реакции (в този случай те бяха наречени рибозими). С други думи, те комбинираха функциите на ДНК и ензимите. Тогава комбинацията на РНК с пептиди и дезоксирибонуклеинова киселина доведе до появата на едноклетъчни организми. Възниква обаче въпросът: каква е била ползата от взаимодействието между света на РНК и протеините?
Смята се, че рибозимите, наречени РНК полимерази, съставляват по-голямата част от света на РНК. Те бяха репликатори - обекти, способни да се самовъзпроизвеждат. Ресурсите за това са нуклеотиди в първичния бульон. В началото рибозимите трудно се копираха, тъй като техните каталитични способности не бяха развити. Те направиха грешки, което доведе до рибозими с мутации. Тези промени биха могли да лишат РНК-полимеразата от способността да се катализират, но в някои случаи това качество, напротив, се подобрява. С течение на времето рибозимите се възпроизвеждат по-бързо и по-точно, стават по-многобройни и печелят конкуренцията за ресурси.
По този начин рибозимите са били основните геноми, тъй като те съхраняват генетична информация за собствената си последователност. По-късно те се капсулират в частици, образувани от липидни мембрани, което доведе до образуването на първата протоклетка. Учените са в състояние да синтезират аналози на РНК полимеразна рибозима, които катализират синтеза на други рибозими или дори копират кратки последователности на рибонуклеотиди. Все още обаче не е възможно да се получи рибозим-репликатор.
Ribosome Thermus thermophilus
Изображение: Public Domain / Wikimedia
Има и друг проблем. Рибозимите, синтезирани в лаборатории, са активни само при много високи концентрации на магнезиеви йони, които разрушават липидните мембрани. Това означава, че има фундаментална несъвместимост между рибонуклеиновите РНК полимерази и процесите на образуване на протоклетки.
Промоционално видео:
Ситуацията се спасява от факта, че молекулите на РНК не са изолирани от много други химични съединения, като например пептиди. Рибозимите биха могли да си сътрудничат с аминокиселинни последователности, което се отрази на тяхната функция. Това се подкрепя и от факта, че активността на рибозимите като сплизеозоми (изрязване на интрони от съзряваща РНК на пратеника), рибозоми (участващи в синтеза на протеини) и рибонуклеаза Р (катализиращо разграждането на РНК) зависи от сродните протеини. Изследванията показват, че някои протеини, които се свързват с рибозими, причиняват промени във тяхната вторична структура и функция. По този начин, в случай на рибонуклеази Р, протеините могат да намалят концентрацията на магнезиеви йони, необходима за тяхната активност. Имайки това предвид, учените решиха да установят дали пептидите могат да повлияят на функцията на РНК полимеразна рибозима по подобен начин, намалявайки зависимостта им от магнезий.
За да се отговори на този въпрос, е необходимо да се изберат не всякакви протеини, а само онези, които някога са взаимодействали с рибозимите от света на РНК. Учените се обърнаха към структурата на рибозомите, които са един вид молекулярна реликва. Резултатите от изследванията показват, че рибозомите в съвременната им форма вече са присъствали в LUCA - общият прародител на всички съвременни форми на живот.
Структурата на рибозомните субединици на Thermus thermophilus
Изображение: Филип Холигер / Кеймбридж
В структурата на рибозомата, образувана от протеини, рибонуклеинови киселини и йони, се регистрира нейната еволюция. По този начин основата на голямата рибозомна субединица е обогатена с магнезиеви йони. Постепенно той е обрасъл с допълнителни модули, в които йони са заменени от пептиди. Според учените връзката между рибозимите и аминокиселинните вериги отразява еволюционната история на света на РНК и нейния преход към РНК-пептидния свят. Ето защо беше анализиран ефектът на пептидите от рибозомите, които се считат за най-древните протеинови последователности на Земята.
Изследователите идентифицирали множество пептиди от двете рибозомни субединици на бактерията Thermus thermophilus, което повишило активността на РНК полимеразата Z рибозим, който репликира молекулите на РНК.
Изображение на флуоресцентна микроскопия на мембранни везикули
Изображение: MRC Laboratory of Molecular Biology / Cambridge / Обединеното кралство
Най-значим ефект обаче има хомополимерният лизин декапептид (К10), аминокиселинна последователност от десет молекули лизин. Той поддържа функциите на рибозима при ниски концентрации на магнезиеви йони, образувайки пептидно-рибозимен комплекс. Учените предполагат, че това се дължи на стабилизирането на междинните продукти в каталитичния цикъл.
За да проверят дали този пептид може да стимулира активността на рибозимите в мембранното отделение, изследователите проведоха експеримент. Получени са стабилни везикули, състоящи се от фосфолипиди и диацилглицероли, вътре в които РНК е капсулирана. При концентрация на магнезиеви йони от 10 милимола (безопасна за мембраната) и в присъствието на К10 се наблюдава синтез, катализиран от рибозим РНК. При липса на магнезий обаче синтезът не е настъпил.
Това показва, че пептидите наистина позволяват на рибозимите да осъществяват каталитична активност при ниски концентрации на токсични йони. В резултат зависимостта на РНК полимеразите от неорганичните молекули намалява, което улеснява тяхната еволюция и в крайна сметка еволюцията на клетките.
Александър Еникеев