МОЖНО ЛИ СОБРАТЬ КЛЕТКУ ИЗ ЕЕ КОМПОНЕНТОВ?
© 2009 г. А.Б. Четверин
Институт белка РАН alexch@vega.protres.ru
К настоящему времени составлен примерный список минимального набора генов, необходимых для функционирования и размножения живой клетки в максимально благоприятных условиях, разработаны методы полного химического синтеза минимального генома, а также разработаны бесклеточные системы, позволяющие осуществлять все биохимические реакции, составляющих репликацию и экспрессию клеточного генома. Самой серьезной из нерешенных проблем остается обеспечение двух взаимоисключающих требований: обособления биохимических процессов от окружающей среды и обмена между клеткой и средой. В этих условиях экспериментальной моделью для сборки клеточных компонентов могут служить молекулярные колонии (другие названия — наноколонии, полонии), которые образуются при репликации РНК или ДНК в твердой среде с порами нанометрового размера. Молекулярные колонии могли также служить до-клеточной формой компартментализации в мире РНК.
ВВЕДЕНИЕ
Приглашение выступить на рабочем совещании «Проблемы происхождения жизни» стало для меня неожиданным, потому что я никогда не думал, что то, чем мы занимаемся, имеет отношение к этой области. Однако в последние годы Александр Сергеевич Спирин стал цитировать наши результаты в своих работах по происхождению мира РНК (Spirin, 2002; Спирин, 2005а, б). И тогда я подумал, что то, что мы сделали, действительно имеет к этому какое-то отношение. В процессе подготовки к докладу мне пришлось забраться в области, в которых я не являюсь специалистом. Поэтому, если я не совсем точно изложу факты из пограничных областей, прошу не судить строго. По просьбе редакционной коллегии сборника во вводной части статьи я привожу краткие определения ключевых понятий и терминов, в порядке их упоминания.
Ключевые понятия
Экспрессия генома — совокупность биохимических процессов, приводящая к синтезу функционально активных белков путем декодирования информации, заключенной в нуклеотидной последовательности генов. Экспрессия ДНК-генома включает стадии транскрипции (синтез РНК на ДНК-матрице) и трансляции (синтез белка на РНК-матрице).
Репликация — размножение РНК или ДНК путем синтеза копий (реплик) исходной матрицы.
Репликаза — катализатор (белок или РНК), осуществляющий репликацию.
Qβ-репликаза — белок фага Qβ (бактериального вируса), осуществляющий репликацию геномной РНК этого фага, а также некоторых других видов РНК.
Рибозим — РНК, способная катализировать ту или иную биохимическую реакцию.
Компартментализация — обособление; здесь: сосредоточение клеточных компонентов и процессов в некоем объеме (компартменте), изолированном от внешней среды.
Липиды — вещества, содержащие гидрофильную группу («голову») и длинную гидрофобную углеводородную часть («хвост»). Формируют мембраны из двух слоев, обращенных друг к другу гидрофобными, а к водному окружению — гидрофильными поверхностями.
Липосомы — водные пузырьки, окруженные мембраной из двух слоев липидов или аналогичных по свойствам веществ.
Нуклеотид — мономер РНК или ДНК, состоящий из одного из четырех видов гетероциклических азотистых оснований [А — аденин, G — гуанин, С — цитозин, U — урацил (в РНК) или Т — тимин (в ДНК)], рибозы (пятиуглеродный сахар) и фосфата (остаток фосфорной кислоты).
Полииуклеотид — линейный полимер, состоящий из нуклеотидов, соединенных фосфодиэфирными связями, и имеющий сахарофосфатный остов. Различают полирибонуклеотиды (РНК) и полидезоксирибонуклеотиды (ДНК).
Комплементарность — дополнительность; здесь — точное структурное соответствие между двумя полинуклеотидами, способными сформировать двойную спираль посредством образования изоморфных пар оснований A:U (А:Т в ДНК) или G:C.
Праймер — затравка; здесь — олигонуклеотид, комплементарный участку последовательности РНК- или ДНК-матрицы; добавляя к праймеру по одному нуклеотиду, репликаза строит из них цепь, комплементарную матрице.
ПЦР (полимеразная цепная реакция) — процесс репликации ДНК с использованием температуроустойчивой ДНК-зависимой ДНК-полимеразы (ДНК-репликазы), олигонуклеотидного праймера и дезоксирибонуклеотидов, включающий периодическое нагревание реакционной среды с целью расплавления двуцепочечной ДНК на составные цепи и последующего охлаждения с целью отжига праймера с матрицей и его удлинения ДНК-репликазой.
Молекулярные колонии (наноколонии) — скопления наномолекул-копий РНК- или ДНК-матриц, образующиеся вокруг матриц при их репликации в твердой пористой среде, имеющей поры нанометрового размера. Как правило, в качестве твердой среды используют гидрофильные гели: агарозу или полиакриламид. В зарубежной литературе молекулярные колонии часто называют «полонии» (от «полимеразные колонии»).
Монтмориллонит — глина, слоистый алюмосиликат из группы смектитов. Отличается большой сорбционной и ионообменной емкостью.
МИНИМАЛЬНЫЙ РАЗМЕР КЛЕТОЧНОГО ГЕНОМА
Когда мы говорим о возможности сборки клетки, то, прежде всего, наверное, надо задать вопрос: «А насколько это сложный объект? Какова по сложности может быть самая маленькая клетка?» Прежде всего, имеется в виду сложность информационная, генетическая. Можно просто посмотреть, что на этот счет известно.
Так, наименьший геном из свободно живущих организмов имеет фотосинтетическая родопсин-содержащая бактерия Pelagibacter ubique, составляющая значительную долю биомассы океана: I 308 759 пар оснований (п.о.) и 1 354 генов (Giovannoni et al., 2005).
Однако есть более редуцированные геномы. Размер генома наименьшего культивируемого организма (т. е. способного к размножению в искусственных условиях — in vitro) облигатного паразита Mycoplasma genitalium равен 582 970 п.о.; этот геном состоит из 519 генов (Fraseretal., 1995).
Наконец, существует рекордсмен по простоте устройства — бактерия Carsonella ruddii, которая является внутриклеточным симбионтом тли. Ее геном имеет размер 159 662 п.о. и состоит из 211 генов (Nakabachi et al., 2006). Хотя насчет того, можно ли ее рассматривать в качестве бактерии, есть сомнения: существует дискуссия по этому поводу. Поскольку эту тварь нельзя культивировать, она может быть рассмотрена как клеточная органелла, которая берет из клетки не только питательные вещества, но также белки и/или нуклеиновые кислоты (Tamames et al., 2007). Таким образом, исходя из вышеприведенных фактов, минимальный размер генома клетки должен быть порядка 200-500 тыс. пар оснований и состоять из 200-500 генов.
Есть и иные подходы для того, чтобы оценить минимально возможный размер клеточного генома. Существует филогенетический анализ, когда сравнивают геномы разных организмов и смотрят, что у них есть общего. Считается, что общее — это то, что необходимо, а то, что отличается, — это то, без чего можно обойтись. Так было определено, что 256 из 519 генов М. genitalium являются эволюционно консервативными. Вероятно, эти гены представляют собой минимальный набор, необходимый для функционирования клетки в наиболее благоприятных условиях: в присутствии полного набора питательных веществ и в отсутствие какого-либо внешнего стресса (Mushegian et al., 1996).
Еще один подход для определения минимально необходимого набора генов состоит в том, что случайным образом инактивируют гены бактерии — по одному за раз — и смотрят, сможет ли такая бактерия жить. Для той же бактерии М. genitalium было показано, что инактивация, путем вставки транспозона, 101 из 482 белок-кодирующих генов не препятствовала росту клеток в максимально благоприятных условиях. Инактивация же любого из 381 оставшихся генов была летальной (Glass et al., 2006). В то же время нельзя сказать, что каждый из 381 гена действительно необходим, потому что бактерия — это сложная взаимозависимая система. Удаление какого-то элемента может привести к летальному исходу не потому, что именно этот элемент необходим, а потому что от него может зависеть функционирование других элементов.
Наконец, использовали биохимический подход: выясняли, какие биохимические реакции необходимы для жизни клетки и, соответственно, какие для этого нужны ферменты и структурные элементы. Из такого анализа был сделан вывод, что белки и РНК, осуществляющие минимально необходимые биохимические реакции, кодируются 151 генами (113 тыс. п.о.) (Forster, Church, 2006, 2007). Это близко к геному С. ruddii (Nakabachi et al., 2006).
На сайте «Я Потребитель» Вы найдете наиболее полную и точную информацию обо всех торговых центрах города Москвы. Так, например, если Вы решили отправиться за покупками в ТЦ Метрополис, то на сайте yapotrebitel.ru сможете узнать подробные маршрут проезда, часы работы, телефон, и даже схему самого здания!