ГИПОТЕЗА О ДРЕВНЕМ МИРЕ РНК

ГИПОТЕЗА О ДРЕВНЕМ МИРЕ РНК

 

ГИПОТЕЗА О ДРЕВНЕМ МИРЕ РНК

 

Открытие каталитически активных РНК — рибозимов — в 1982-1983 гг. сыграло решающую роль в формулировании и развитии гипотезы о том, что РНК как самодостаточный полимер могла бы и воспроизводиться, и функционировать в глубокой древности на Земле или других космических объектах до появления клеточных форм жизни. Можно предположить, что молекулы РНК могли бы обходиться не только без ДНК как генетического вещества, но и без белков для осуществления катализа важных синтетических и метаболических реакций. Идея древнего безбелкового мира РНК как возможного предшественника современной жизни на Земле была окончательно сформулирована в 1986 г. (Gilbert, 1986) и быстро приобрела многочисленных сторонников. В настоящее время гипотеза о том, что жизнь начиналась с молекул РНК и их ансамблей, является почти общепринятой (см. сборники «Мир РНК» — «The RNA World» — под редакцией Gesteland et al., 1993, 1999, 2006). Таким образом, термин «мир РНК» широко используется теперь для обозначения древней, пребиотической ситуации на Земле, имевшей место около 4 млрд. лет назад, когда самореплицирующиеся молекулы РНК или их ансамбли могли существовать и эволюционировать без белков.

Таким образом, согласно существующим представлениям, в древнем мире РНК не было ни белков, ни ДНК, а лишь ансамбли различных молекул РНК, выполняющих разные вышеперечисленные функции. Однако вопрос о возникновении такого мира на Земле — один из самых трудных в теориях происхождения жизни. Можно предполагать, что первичные олигорибонуклеотиды возникали из абиогенно образующихся монорибонуклеотидов или их активированных производных путем полимеризации на поверхностях глин и глиноподобных минералов. Возможна была также и предшествующая химическая эволюция нуклеотидоподобных и олигонуклеотидоподобных соединений. В любом случае, появление олигорибонуклеотидов должно было быть отправной точкой появления мира РНК. Однако, для дальнейшего развития было необходимо, чтобы абиогенный синтез олигорибонуклеотидов, основанный на редких случайных событиях, был дополнен постоянным механизмом, который бы мог генерировать варианты этих олигомеров и удлинять их (при сильной тенденции к их спонтанной химической и физической деструкции). Элонгация коротких олигорибонуклеотидов в полирибонуклеотиды представляется абсолютно необходимым условием для образования компактно свернутых структур со свойствами специфического узнавания лигандов и каталитическими активностями, а генерация вариантов в популяции абиогенных олиго- и полирибонуклеотидов требуется для того, чтобы дать шансы для случайного возникновения нужных функциональных, в том числе каталитических, активностей.

В течение долгого времени не было предложено какого-либо удовлетворительного решения этой проблемы. Около 15 лет назад А.Б. Четвериным и Е.В. Четвериной с сотрудниками (Chetverin et al., 1991; Chetverina, Chetverin, 1993) был разработан метод молекулярного клонирования РНК: из единичных молекул РНК, помещенных на поверхность геля, содержащего катализатор репликации (в данном случае вирусную РНК-зависимую РНК-полимеразу) и рибонуклеозид-трифосфаты, оказалось возможным выращивать колонии молекул РНК, идентичных исходной молекуле (рис. 6). Позднее метод был применен для регистрации единичных событий, происходящих с популяцией РНК в растворе, и была впервые экспериментально показана способность молекул РНК к спонтанной перестройке их нуклеотидных последовательностей в отсутствие каких-либо ферментов и рибозимов (Chetverina et al., 1999), Открытая спонтанная реакция характеризовалась следующими особенностями. Во-первых, цепи РНК в растворе при температурах от 5 до 37 °С время от времени обменивались частями своих последовательностей; обмен мог осуществляться как между разными молекулами (транс-перестройки), так и внутри одной и той же молекулы (цис-перестройки). Во-вторых, эти перестройки были неспецифичны по отношению к последовательности и могли происходить в любом месте цепей. В-третьих, в отличие от рибозимных и ферментативных реакций, а также реакций самокатализируемого сплайсинга, З’-гидроксилы не участвовали в этой спонтанной реакции, а части РНК реагировали друг с другом внутренними районами. Реакция оказалась зависима от присутствия Mg2-. Скорость спонтанных перестроек была невысока — одно событие в час на миллиард нуклеотидов; это означает, что 0.002-0.02 % цепей РНК с длиной 800-8000 нуклеотидных остатков спонтанно перестраиваются в популяции РНК в течение 24 часов. Реакция не требует никаких других компонентов, кроме самой РНК и Mg2-, и, таким образом, может рассматриваться как присущее РНК химическое свойство и должна происходить в водной среде повсюду, как в живой, так и в неживой природе.

Это открытие, очевидно, имеет прямое отношение к проблеме возникновения древнего мира РНК. Прежде всего, спонтанные перестройки нуклеотидных последовательностей могли быть основным эффективным механизмом непрерывной генерации вариантов олиго- и полирибонуклеотидов до эры рибозимов. Более того, элонгация олигорибонуклеотидов в полирибонуклеотиды путем спонтанной трансэстерификации, происходящей в этой реакции, представляется гораздо более реальной возможностью в то время, по сравнению с последовательным ростом цепи, требующим специального механизма, постоянной защиты от деградации удлиняемого полинуклеотида и постоянного притока энергии. Именно этим путем и могли появляться длинные полирибонуклеотиды на заре возникновения мира РНК.

Появление достаточно длинных полирибонуклеотидов и генерация вариантов за счет спонтанных цис- и транс-перестроек должна была привести к случайному появлению рибозимов, и критичным должно было быть появление в популяции РНК рибозима, катализирующего процесс комплементарной репликации РНК.

112311 1821 61 ГИПОТЕЗА О ДРЕВНЕМ МИРЕ РНК

Рис. 6. Колонии молекул РНК, выросшие на влажной поверхности агарозы или полиакриламидного геля в присутствии рибонуклеозид-трифосфатов и катализатора комплементарной репликации РНК (РНК-зависимой РНК-полимеразы фага Qβ) (Chetverin et al., 1991; Chetverina, Chetverin. 1993).

 

Это — принципиальное условие для того, чтобы размножить — амплифицировать — единичные молекулы случайно возникших в популяции вариантов и сохранить их для эволюции. Другими словами, появление механизмов РНК-катализируемой репликации РНК должно рассматриваться как первое и необходимое условие для начала эволюции мира РНК. В ряде экспериментов была экспериментально показана возможность создания рибозимов, осуществляющих лигирование олигонуклеотидов на комплементарной матрице (Dondna, Szostak, 1989; Doudna et al., 1991, 1993) или полимеризующих короткие олигонуклеотиды или мононуклеоти-ды путем удлинения олигонуклеотидной затравки на комплементарной матрице (Bartel, Szostak, 1993; Ekland, Bartel, 1996; Johnston et al., 2001). С появлением рибозимов, катализирующих полимеризацию РНК на матрице РНК — хотя бы одной молекулы на популяцию молекул РНК в каком-то небольшом водоеме — мир РНК обретал свою сущность как самосохраняющаяся и развивающаяся материя на древней Земле.


 


Не можете сделать выбор между сверхмодным айфоном четвертого поколения и более продвинутым в технологическом плане samsung galaxy s2, тогда Вам просто необходимо прочитать статью на сайте www.androidops.ru, посвященную обзору мобильного телефона Galaxy S2. 9pt»>Открытие каталитически активных РНК — рибозимов — в 1982-1983 гг. сыграло решающую роль в формулировании и развитии гипотезы о том, что РНК как самодостаточный полимер могла бы и воспроизводиться, и функционировать в глубокой древности на Земле или других космических объектах до появления клеточных форм жизни. Можно предположить, что молекулы РНК могли бы обходиться не только без ДНК как генетического вещества, но и без белков для осуществления катализа важных синтетических и метаболических реакций. Идея древнего безбелкового мира РНК как возможного предшественника современной жизни на Земле была окончательно сформулирована в 1986 г. (Gilbert, 1986) и быстро приобрела многочисленных сторонников. В настоящее время гипотеза о том, что жизнь начиналась с молекул РНК и их ансамблей, является почти общепринятой (см. сборники «Мир РНК» — «The RNA World» — под редакцией Gesteland et al., 1993, 1999, 2006). Таким образом, термин «мир РНК» широко используется теперь для обозначения древней, пребиотической ситуации на Земле, имевшей место около 4 млрд. лет назад, когда самореплицирующиеся молекулы РНК или их ансамбли могли существовать и эволюционировать без белков.

Таким образом, согласно существующим представлениям, в древнем мире РНК не было ни белков, ни ДНК, а лишь ансамбли различных молекул РНК, выполняющих разные вышеперечисленные функции. Однако вопрос о возникновении такого мира на Земле — один из самых трудных в теориях происхождения жизни. Можно предполагать, что первичные олигорибонуклеотиды возникали из абиогенно образующихся монорибонуклеотидов или их активированных производных путем полимеризации на поверхностях глин и глиноподобных минералов. Возможна была также и предшествующая химическая эволюция нуклеотидоподобных и олигонуклеотидоподобных соединений. В любом случае, появление олигорибонуклеотидов должно было быть отправной точкой появления мира РНК. Однако, для дальнейшего развития было необходимо, чтобы абиогенный синтез олигорибонуклеотидов, основанный на редких случайных событиях, был дополнен постоянным механизмом, который бы мог генерировать варианты этих олигомеров и удлинять их (при сильной тенденции к их спонтанной химической и физической деструкции). Элонгация коротких олигорибонуклеотидов в полирибонуклеотиды представляется абсолютно необходимым условием для образования компактно свернутых структур со свойствами специфического узнавания лигандов и каталитическими активностями, а генерация вариантов в популяции абиогенных олиго- и полирибонуклеотидов требуется для того, чтобы дать шансы для случайного возникновения нужных функциональных, в том числе каталитических, активностей.

В течение долгого времени не было предложено какого-либо удовлетворительного решения этой проблемы. Около 15 лет назад А.Б. Четвериным и Е.В. Четвериной с сотрудниками (Chetverin et al., 1991; Chetverina, Chetverin, 1993) был разработан метод молекулярного клонирования РНК: из единичных молекул РНК, помещенных на поверхность геля, содержащего катализатор репликации (в данном случае вирусную РНК-зависимую РНК-полимеразу) и рибонуклеозид-трифосфаты, оказалось возможным выращивать колонии молекул РНК, идентичных исходной молекуле (рис. 6). Позднее метод был применен для регистрации единичных событий, происходящих с популяцией РНК в растворе, и была впервые экспериментально показана способность молекул РНК к спонтанной перестройке их нуклеотидных последовательностей в отсутствие каких-либо ферментов и рибозимов (Chetverina et al., 1999), Открытая спонтанная реакция характеризовалась следующими особенностями. Во-первых, цепи РНК в растворе при температурах от 5 до 37 °С время от времени обменивались частями своих последовательностей; обмен мог осуществляться как между разными молекулами (транс-перестройки), так и внутри одной и той же молекулы (цис-перестройки). Во-вторых, эти перестройки были неспецифичны по отношению к последовательности и могли происходить в любом месте цепей. В-третьих, в отличие от рибозимных и ферментативных реакций, а также реакций самокатализируемого сплайсинга, З’-гидроксилы не участвовали в этой спонтанной реакции, а части РНК реагировали друг с другом внутренними районами. Реакция оказалась зависима от присутствия Mg2-. Скорость спонтанных перестроек была невысока — одно событие в час на миллиард нуклеотидов; это означает, что 0.002-0.02 % цепей РНК с длиной 800-8000 нуклеотидных остатков спонтанно перестраиваются в популяции РНК в течение 24 часов. Реакция не требует никаких других компонентов, кроме самой РНК и Mg2-, и, таким образом, может рассматриваться как присущее РНК химическое свойство и должна происходить в водной среде повсюду, как в живой, так и в неживой природе.

Это открытие, очевидно, имеет прямое отношение к проблеме возникновения древнего мира РНК. Прежде всего, спонтанные перестройки нуклеотидных последовательностей могли быть основным эффективным механизмом непрерывной генерации вариантов олиго- и полирибонуклеотидов до эры рибозимов. Более того, элонгация олигорибонуклеотидов в полирибонуклеотиды путем спонтанной трансэстерификации, происходящей в этой реакции, представляется гораздо более реальной возможностью в то время, по сравнению с последовательным ростом цепи, требующим специального механизма, постоянной защиты от деградации удлиняемого полинуклеотида и постоянного притока энергии. Именно этим путем и могли появляться длинные полирибонуклеотиды на заре возникновения мира РНК.

Появление достаточно длинных полирибонуклеотидов и генерация вариантов за счет спонтанных цис- и транс-перестроек должна была привести к случайному появлению рибозимов, и критичным должно было быть появление в популяции РНК рибозима, катализирующего процесс комплементарной репликации РНК.

112311 1821 61 ГИПОТЕЗА О ДРЕВНЕМ МИРЕ РНК

Рис. 6. Колонии молекул РНК, выросшие на влажной поверхности агарозы или полиакриламидного геля в присутствии рибонуклеозид-трифосфатов и катализатора комплементарной репликации РНК (РНК-зависимой РНК-полимеразы фага Qβ) (Chetverin et al., 1991; Chetverina, Chetverin. 1993).

 

Это — принципиальное условие для того, чтобы размножить — амплифицировать — единичные молекулы случайно возникших в популяции вариантов и сохранить их для эволюции. Другими словами, появление механизмов РНК-катализируемой репликации РНК должно рассматриваться как первое и необходимое условие для начала эволюции мира РНК. В ряде экспериментов была экспериментально показана возможность создания рибозимов, осуществляющих лигирование олигонуклеотидов на комплементарной матрице (Dondna, Szostak, 1989; Doudna et al., 1991, 1993) или полимеризующих короткие олигонуклеотиды или мононуклеоти-ды путем удлинения олигонуклеотидной затравки на комплементарной матрице (Bartel, Szostak, 1993; Ekland, Bartel, 1996; Johnston et al., 2001). С появлением рибозимов, катализирующих полимеризацию РНК на матрице РНК — хотя бы одной молекулы на популяцию молекул РНК в каком-то небольшом водоеме — мир РНК обретал свою сущность как самосохраняющаяся и развивающаяся материя на древней Земле.


 


Не можете сделать выбор между сверхмодным айфоном четвертого поколения и более продвинутым в технологическом плане samsung galaxy s2, тогда Вам просто необходимо прочитать статью на сайте www.androidops.ru, посвященную обзору мобильного телефона Galaxy S2.


Найти на unnatural: ГИПОТЕЗА ДРЕВНЕМ МИРЕ РНК
Автор: admin | 23 Ноябрь 2011 | 650 просмотров

Новые статьи:

Оставить комментарий:

Все размещенные на сайте материалы без указания первоисточника являются авторскими. Любая перепечатка информации с данного сайта должна сопровождаться ссылкой, ведущей на www.unnatural.ru.
Rambler's Top100