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 Mg^2-. 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 Mg^2-, 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.

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 Mg^2-. 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 Mg^2-, 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.

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.

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ РНК

Итак, вплоть до недавнего времени за нуклеиновыми кислотами, и в том числе за РНК, признавались лишь генетические функции (рис. 2). Главная генетическая функция — функция комплементарной репликации (т. е. репликации через образование комплементарной полинуклеотидной цепи) при участии катализирующего полимеризацию фермента — безусловная прерогатива ДНК, но оказалось, что она присуща и РНК. Выше было упомянуто об открытии способности РНК служить матрицей для синтеза ДНК в процессе обратной транскрипции. Еще раньше была продемонстрирована функция воспроизведения своей структуры — репликация РНК на матрице РНК — прежде всего, на примере репликативного цикла ряда РНК-содержащих вирусов (Baltimore et al., 1966; Spiegelman, Haruna, 1966). Такую репликацию РНК, независимую от ДНК и запрещенную в большинстве случаев в циклах нормальных клеток современных организмов, можно рассматривать как реликт, сохранившийся в современном мире благодаря вирусам как реликтовым генетическим агентам, выводящим репликацию и трансляцию из под контроля клеточной ДНК.

Рис. 2. Генетические функции РНК.

В настоящее время выясняется, что реликтовую репликацию РНК можно обнаружить и в нормальных клетках: многие животные и растения несут гены, кодирующие РНК-зависимые РНК-полимеразы или их гомологи, а недавно открытые регуляторные микроРНК и интерферирующие РНК являются, возможно, их субстратом для комплементарной репликации.

Другая генетическая функция — кодирование белков — не требует особых комментариев. РНК (мРНК) кодирует белки не только «наравне» с ДНК, но именно она непосредственно участвует в процессе декодировки, служа матрицей для синтеза белков. Таким образом, обе генетические функции ДНК — репликативная и кодирующая — оказываются присущи как ДНК, так и РНК (рис. 2).

Если кодирующие функции так или иначе связаны в основном с полинуклеотидами как линейными полимерами, то функции белков в основном зависят от их трехмерной структуры, т. е. специфически свернутой, по большей части компактной (глобулярной) конформации. Поэтому принципиально важным было установление того факта, что высокополимерные полинуклеотидные цепи РНК, как и полипептидные цепи белков, способны самосворачиваться в компактные структуры (Спирин и др., 1959; Spirin, 1960; Kisselev et al,, 1961; Богданова и др., 1962) (рис. 3) и что их сворачивание приводит к специфическим конформациям молекул РНК (Vasiliev et al., 1978; Vasiliev, Zalite, 1980). С другой стороны, в развитии современных представлений о функциях РНК решающим было открытие некодирующих РНК. Оказалось, что кодирующие РНК составляют лишь малую долю клеточных РНК, а основная часть РНК представлена некодирующими РНК, куда относятся в первую очередь рибосомные РНК (Belozersky, Spirin, 1958; Brenner et al., 1961; Spiegelman, 1961). Именно для высокополимерных некодирующих РНК двух рибосомных субъединиц было показано, что их специфическое компактное самосворачивание задает специфическую форму каждой из субъединиц и, в конечном счете, определяет конформацию рибосомы (Vasiliev et al., 1986). Таким образом, так же как и белки, РНК способны образовывать специфические третичные структуры, т.е. обладают структурной и формообразующей функцией.

Рис. 3. Конформации и конформационные переходы высокополимерной РНК в зависимости от ионной силы и температуры. Внизу справа — конформация компактной глобулы (Spirin, 1960).

Рис. 4. Кодирующая РНК (мРНК) и два основных типа некодируюших РНК (рибосомные РНК и тРНК).

Способность РНК к формированию компактных трехмерных структур, как и в случае белков, дает основу для специфического взаимодействия с другими молекулами — как макромолекулами, так и малыми лигандами. Другими словами, для молекул РНК, свернутых в специфическую глобулу и тем самым создающих на своей поверхности уникальный пространственный узор, приходится допустить возможность функции молекулярного узнавания, как и у белков. Пожалуй, первыми известными «узнающими» РНК можно считать тРНК, выполняющие адапторную роль в биосинтезе белка (рис. 4). Эти среднего размера компактно свернутые молекулы РНК поочередно и очень избирательно взаимодействует с рядом макромолекулярных структур в клетке: сначала с аминоацил-тРНК-синтетазой, связанной с аминоациладенилатом как активированной формой аминокислоты, затем, уже неся на себе ковалентно присоединенный аминоацильный остаток, с фактором элонгации EF1, вместе с которым она поступает в рибосому. Хотя на этом пути несомненно реализуются функции специфического узнавания молекулами тРНК других макромолекул, долгое время все же молчаливо принималось, что основную роль здесь играет узнавание тРНК со стороны белков — ферментов, факторов трансляции и рибосомных белков. В 1980-х гг. английским ученым Э. Кандлиффом (Cundliffe, 1986) было впервые заявлено о способности структурированных участков рибосомной РНК специфически узнавать малые лиганды ненуклеиновой и небелковой природы. Он представил экспериментальные данные в пользу избирательного взаимодействия (связывания) именно участков свернутой рибосомной РНК, а не рибосомных белков, с рядом антибиотиков рибосомного действия — тиострептоном, эритромицином, аминогликозидами (стрептомицином, канамицином, неомицином). Через 10 лет были представлены прямые структурные данные о специфическом связывании аминогликозидных антибиотиков районом малой (16S) рибосомной РНК (Fourmy et al., 1996). Окончательное признание самых широких возможностей у РНК узнавать другие молекулы и весьма специфично взаимодействовать с ними пришло благодаря аптамерам — небольшим по размерам синтетическим РНК, получаемым путем отбора из многих вариантов нуклеотидных последовательностей с помощью процедур так называемой «бесклеточной эволюции», «эволюции в пробирке» (Ellington, Szostak, 1990; Tuerk, Gold, 1990). Оказалось, что можно отобрать и размножить РНК, обладающие способностью избирательно связывать практически любой вид молекул, начиная от низкомолекулярных органических соединений и кончая различными индивидуальными пептидами и белками (см. обзоры Gold et al., 1995; Puglisi, Williamson, 1999). Другими словами, РНК, как и белки, действительно в полной мере могут обладать функцией специфического молекулярного узнавания.

На способности РНК к специфическому молекулярному узнаванию базируется и каталитическая функция РНК. Однако, на протяжении всей предшествующей истории биохимии утверждалось, что биохимический катализ — «прерогатива» исключительно белков-ферментов.

ДРЕВНИЙ МИР РНК

Институт белка РАИ и Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Основываясь на современных представлениях о многофункциональности РНК, автор рассматривает ряд новых механизмов, участие которых в происхождении и эволюции древнего мира РНК могли играть критическую роль. Так, реакция спонтанной трапсэстерификации полирибонуклеотидов, открытая А.Б. Четверипым с сотрудниками, могла приводить к удлинению первичных коротких олигорибонуклеотидов и к генерации вариантов последовательностей для последующего естественного отбора случайно возникающих функционально активных молекул. Далее, образование смешанных молекулярных колоний РНК на влажных твердых средах типа глин могла обеспечить компартментализацию ансамблей функционально активных РНК в отсутствие оболочек и мембран, что было необходимо для дальнейшей эволюции формирующегося мира РНК. Систематическое экспоненциальное обогащение популяции РНК функционально лучшими молекулами за счет попеременного растворения колоний при затоплении и образования новых колоний при подсушивании первобытных водоемов («первобытный естественный SELEX») могло быть главным двигателем эволюционного процесса в мире РНК.

ВВЕДЕНИЕ

Главной проблемой в происхождении жизни является вопрос о возникновении аппарата наследственности, а, следовательно, о возникновении «вещества наследственности» — нуклеиновых кислот. Обе нуклеиновые кислоты — рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — химически представляют собой линейные (неразветвленные) полимеры, построенные из четырех сортов нуклеозидных остатков (соединений пятиуглеродного сахара и азотистого пуринового или пиримидинового основания), соединенных между собой фосфатными группами. Фосфатные группы соединяют углеводные части нуклеозидов в цепь, так что цепь нуклеиновой кислоты может быть описана как пентозофосфатный полимер с азотистыми основаниями в качестве боковых групп. Основное различие химических структур РНК и ДНК состоит в том, что углеводным компонентом РНК является рибоза, а в ДНК — дезоксирибоза, дегидроксилированное производное рибозы.

Рис. 1. Центральная догма молекулярной биологии.

Однако пространственная структура этих двух близкородственных полимеров различается принципиально: ДНК — это жесткая двойная спираль, образованная за счет парного взаимодействия бок о бок двух полидезоксирибонуклеотидных цепей, а РНК — одноцепочечная гибкая молекула. ДНК представляет собой гены, и ее двуспиральпая пространственная структура необходима для точного копирования своей собственной первичной структуры (специфической последовательности четырех сортов мономеров цепи) в процессе комплементарной редупликации (Watson, Crick, 1953). Долгое время считалось, что функция РНК состоит лишь в копировании (транскрипции) одной из цепей ДНК для того, чтобы служить генетической матрицей для синтеза белков. Представление об этом потоке генетической информации от ДНК через РНК к белкам и его необратимости было сформулировано как «центральная догма молекулярной биологии» (рис. 1). Впоследствии, однако, утверждение о необратимости потока информации от ДНК к РНК было подвергнуто ревизии: было открыто, что в ряде случаев — в первую очередь при вирусных инфекциях — наблюдается явление «обратной транскрипции», когда на матрице РНК синтезируется комплементарная цепь ДНК (Baltimore, 1970; Temin, Mizutani, 1970). При этом признание строгой необратимости потока информации от нуклеиновых кислот к белкам продолжает быть основой всей современной генетики и молекулярной биологии.

Хотите расшифровать тайные послания, скрывающиеся в окружающих вас числах (дате рождения, адресе дома и т.п.)? В этом Вам поможет Школа позитивной нумерологии, обучение в которой позволит Вам узнать ответы на все интересующиеся Вас вопросы.
Более детальную информацию Вы сможете получить на сайте www.omega-way.ru .

Дискуссия

по пленарному докладу В.И. Агола

«ВИРУС-ДО ИЛИ ПОСЛЕ КЛЕТКИ?»

Председательствующий Л.М. Мухин

A. В. Тутуков: Почему так много видов вирусов существует одновременно, что обеспечивает их многообразие и многообразие их экологических ячеек?

B. И.А.: Я придерживаюсь той точки зрения, что эволюционные сценарии — это вид искусства, не обязательно все должно быть правдой. Полагаю, что первично разнообразие вирусов ничем не сдерживалось, ничем не ограничивалось, они имели все возможные способы репликации и транскрипции. Затем они рекомбинировали, приобретали новые гены, либо в результате дупликации, либо от других вирусов, либо из клетки… Так что, по-моему, вопрос заключается в том, есть ли ограничения этому разнообразию. Вирусы удивительно устойчивы. Можно в их геноме очень консервативные последовательности заменять совершенно случайными — мы это делаем — и отбирать вирусы, которые будут жизнеспособны. Возможностей для изменений вирусного генома очень много.

A. В. Тутуков: В астрономии многочисленные типы звезд оказалось возможным расположить в эволюционной последовательности и стало ясно, что многие типы — это одна и та же звезда, наблюдаемая в разные фазы развития. Нельзя ли что-то подобное применить к вирусам?

B. И.А.: Таксономия и классификация вирусов оперирует семействами и надсемействами, внутри которых можно построить дерево, основанное на монофилетических связях. Но поскольку возможен горизонтальный перенос генетической информации, построить общее дерево не удастся. Я бы гак сказал: дерево построить нельзя, а кустарник — пожалуйста.

A. В. Тутуков: Неужели Чарльз Дарвин так плох, что в докладе ни разу не прозвучал термин «естественный отбор»?

B. И.А.: Когда мы говорим об эволюции конкретных вирусов — например, вируса полиомиелита — естественный отбор имеет большое значение.

Л.М. Мухин: И есть критерии отбора?

В.И.А.: Должна выжить популяция вируса. При этом популяция бывает генетически очень гетерогенной. И иногда для воспроизводства популяции нужно, чтобы между ее отдельными представителями непременно существовало взаимодействие. То есть эволюция происходит на уровне популяции, а не ее частей или членов.

Л.В. Ксанфомалити: Можно ли дать какие-то временные оценки, сколько каждая стадия занимала, исходя из вероятности того или иного процесса?

В.И.А.: Я точно не берусь. Есть люди, которые этим занимаются. Мы разбираем невоспроизводимые события. Скорость эволюции конкретных вирусов оценить можно.

A. С. Спирин: Как Вы думаете, если бы в космосе носились вирусы, бактерий бы не было, и мы исходили бы из внеземного происхождения жизни, возможно ли попадание на Землю такой комбинации вирусов, из которой в принципе могла бы возникнуть живая клетка, жизнь?

B. И.А.: Действительно, вирусы существенно более устойчивы физически, можно предположить, что они могут переноситься в космическом пространстве (хотя таких данных, естественно, нет). И если на Земле были подходящие условия, то я не вижу большой разницы, были ли они созданы на Земле или прилетели.

А.Д. Альтштейн: Как Вы представляете происхождение ДНК-содержащих вирусов из РНК-содержащих? Должны возникнуть минимум три фермента: тот, который будет делать дезоксирибонуклеотиды, тот, который будет делать код ДНК на матрице РНК, и тот, который будет считывать ДНК с РНК.

В.И.А.: Проще всего с обратной транскриптазой, она очень похожа на РНК-зависимую РНК-полимеразу. Что касается ферментов, которые синтезируют ДНК на матрице РНК, они, в общем, тоже не из другого теста. В общем, инженерных трудностей здесь нет, есть трудности скорее идеологические — зачем это все появлялось, какое это давало преимущество? И эти ферменты не обязательно должны появиться одновременно. Что-то может появиться и не использоваться или использоваться для чего-то другого.

М.Я. Маров: Вирус можно представить как некую субстанцию, паразитирующую на клетке. Можно ли говорить о том, что природа создала вирус как своего рода механизм естественного отбора для более сложных организмов?

В.И.А.: Я бы так ответил — создано не для этого, но природой используется и для этого.

СВ. Шестаква: Когда Вы говорите о происхождении и эволюции вирусов, то Вы, конечно, имеете в виду очень ранние этапы эволюции биосферы. Но, говоря об эволюции современных вирусов, вероятно, целесообразнее этот процесс называть не эволюцией, а изменчивостью.

В.И.А.: Это вопрос скорее семантический. Конечно, в этом случае речь идет о микро-эволюции. Но в то же время, я хочу отмстить, что и в наше время вирусы подвергаются эволюции -тот же вирус иммунодефицита человека, вирус гриппа. Когда вирус получает нового хозяина, он эволюционирует, это в некотором смысле макроэволюционное событие. То есть пока, например, вирус полиомиелита остается вирусом полиомиелита, это микроэволюция, дрейф и так далее, но когда один вирус становится другим, происходит качественный скачок — это уже эволюция.

Л.М. Мухин: Необходима начальная информация о начальном геноме, иначе все это —
искусство. Откуда ее взять?

В.И.А.: Это центральный вопрос — где начинается смысл. Если взять случайную последовательность, когда появится жизнеспособный геном? Число сценариев ограничено, число возможностей бесконечно.

A. Б. Четверки: В экспериментах стартовали со случайных последовательностей длиной в несколько десятков нуклеотидов. Надо стартовать с 10¹², чтобы что-то получилось.

B. И.А.: Но там уже был отбор, смысл, внесенный экспериментатором.

Качественные и современные телевизоры на любой вкус и кошелек Вы сможете найти на сайте catalogue.technoportal.ua, который станет вашим гидом по миру мобильной связи и портативной и видеотехники.

СОВРЕМЕННЫЕ ВЗГЛЯДЫ НА ПРОИСХОЖДЕНИЕ ВИРУСОВ

Наиболее распространенные современные гипотезы происхождения вирусов основаны на двух крупных достижениях молекулярной биологии: во-первых, открытии рибозимов (молекул РНК, обладающих ферментативной активностью) и формулировании теории «мира РНК», постулирующей, что РНК была «изобретена» раньше ДНК и белков, и, во-вторых, успехах геномики (расшифровки нуклеотидной последовательности огромного числа клеточных и вирусных геномов). Общим для большинства современных гипотез является представление о об очень значительном, если не решающем, вкладе вирусов в генетическую информацию клеточных организмов.

В качестве примера таких взглядов кратко рассмотрим две в чем-то перекрывающиеся, но, все же, существенно различные гипотезы происхождения вирусов и их роли в эволюции клеточных организмов. Одна из гипотез принадлежит П. Фортеру (Forterre, 2006а, Ь). Французский исследователь постулирует, что последний общий предшественник всего живого (Last Universal Common Ancestor или LUCA) представлял собой клетку с РНК-геномом, в которой «жили» РНК-содержащие вирусы (рис. 6). Важно, что для репликации клеточного и вирусного геномов в этом случае требуется один и тот же класс ферментов — РНК-зависимые РНК-лолимеразы (RNA-dependent RNA polymerase; RdRP). Предполагается, что современные РНК-вирусы унаследовали этот ключевой фермент с тех древнейших времен. Действительно, RdRP большинства известных вирусов с позитивным однонитевым или двунитевым РНК-геномом проявляют столь существенное сходство, что можно говорить об их общем происхождении. Для возникновения РНК-вирусов потребовалось изобрести капсид, т. е. белковую оболочку. Опять-таки, белки оболочки многих вирусов с однонитевым и двунитевым РНК-геномом обладают принципиально сходной структурной организацией, несмотря на то, что аминокислотные последовательности этих белков могут иметь между собой мало общего (см. также Bamford, 2003). Отсюда выводится предположение, что эти капсидные белки имеют общего прародителя.

Следующим фундаментальным эволюционным событием, по гипотезе Фортера, было возникновение ДНК (рис. 6). Постулируется, что первые ДНК появились, в результате синтеза на матрице РНК, т.е. в результате обратной транскрипции, и появились они у вирусов, которые по современной терминологии называют ретровирусами (рис. 4, 5). Возникновение ретровирусов сопряжено с двумя принципиальными новшествами. Во-первых, потребовались ферменты, умеющие осуществлять обратную транскрипцию, т.е. РНК-зависимые ДНК-полимеразы (обратные транскриптазы).

Рис. 6. Модель перехода от мира РНК к миру ДНК по П. Фортсру (Fortcrre, 2006а, о).

Изобретение таких ферментов существенно облегчала уже имеющаяся «подсказка» — обратные транскриптазы устроены в значительной степени по образу и подобию уже существовавших тогда RdRP. Действительно, между этим двумя классами ферментов имеется заметное структурное сходство. Второе изобретение — это появление ферментов, способных превращать субстраты для синтеза РНК (рибонуклеозиды или рибонуклеотиды) в субстраты для синтеза ДНК (дезоксирибонуклеозиды или дезоксирибонуклеотиды). Так или иначе, и эта задача была решена. Следует заметить, что изобретать для ретровирусов принципиально новый класс белков оболочки не понадобилось — был использован (и до сих пор используется) общий план строения капсидных белков РНК-вирусов.

И, наконец, наступает закат «мира РНК» и возникновение «эпохи ДНК» (рис. 6). С биохимической точки зрения, ключевым этапом здесь было появление нового класса ферментов -ДНК-зависимых ДНК-полимераз, что, в свою очередь, обеспечило возможность возникновения ДНК-вирусов. Превращение клеток с РНК-геномом в клетки с привычным для нас ДНК-геномом произошло, по Фортеру, в результате заражения ДНК-вирусами. При этом три домена клеточных организмов возникли независимо в результате заражения разными ДНК вирусами-основоположниками (founder viruses). Особые основоположники положили начало эубактериям, археям и плазмидам, в то время как для появления эукариот потребовалось несколько разных вирусов-основателей.

По гипотезе, которую развивает Е. Кунин с коллегами (Koonin, Martin, 2005; Koonin et al., 2006), жизнь зародилась в микроскопических неорганических ячеистых структурах, которые могли служить суррогатами клеток — рис. 7. Рибозимы, возникшие на добиологической стадии эволюции, могли накапливаться в таких ячейках в относительно высоких концентрациях, могли передвигаться между ячейками и «заражать» их. Следующий фундаментальный этап -возникновение РНК-вирусов с однонитевым и двунитевым геномом. Затем, как и у Фортера, следует появление обратной транскрипции и ретровирусов и, наконец, возникновение ДНК-зависимого синтеза ДНК и ДНК-вирусов. Но все это происходило, по Кунину, еще на доклеточной стадии эволюции. А клетки с ограничивающими их мембранами появились уже после того, как возникли основные способы хранения и передачи генетической информации. Но сначала возникли археи и эубактерии. Эукариоты же появились, в соответствии с широко распространенной точкой зрения, в результате поглощения бактериальной клетки архейной клеткой (рис. 8). При этом эукариотические клетки унаследовали генетические структуры не только от этих двух клеточных прародителей, но и от их вирусов, а вирусы эукариот от фагов и вирусов архей.

Рис. 7. Модель перехода от доклеточного мира РНК к археям и бактериям по Е. Кунину (Koonin ct 2006).

Этот вывод подкрепляется сравнительным анализом нуклеотидных последовательностей и белковых структур таких ключевых ферментов, как RdRP, обратные транскриптазы, некоторые ферментов синтеза ДНК, а также капсидных белков.

Таким образом, по этому сценарию, клетки произошли позже вирусов и на их основе. Что же касается самих вирусов, то их разные группы могут не иметь общего предшественника (т. е. не являются монофилетичными), но, в то же время, в каком-то смысле, все они — родственники.

Общим для этих двух гипотез эволюционной истории является представление о том, что современные вирусы унаследовали от древнейшего мира многие молекулярные механизмы, которые не сохранились у клеточных организмов. Именно поэтому способы транскрипции и репликации у вирусов существенно более разнообразны по сравнению с таковыми у клеточных организмов (рис. 5). Однако возникновение клеток не означало прекращения обмена генетической информацией между миром вирусов и миром клеточных организмов. Такой обмен, по-видимому, продолжался на протяжении всей истории биосферы. В частности, можно полагать, что некоторые вирусы приобрели у клеток вспомогательные ферменты синтеза РНК и ДНК, а также, что очень важно, протеазы. Пример относительно более свежих вирусных заимствований у клеток — белки, взаимодействующие с компонентами врожденного и приобретенного иммунитета, особенно характерные для крупных вирусов.

Не останавливался и поток генов от вирусов к клеткам. Здесь следует упомянуть об эндогенных вирусах — остатках генов ретровирусов, интегрировавших в клеточные хромосомы. По некоторым оценкам, более половины генома млекопитающих имеет вирусное происхождение, если учитывать как самые древнейшие, так и более новые приобретения.

Рис. 8. Модель появления эукариотической клетки, а также вирусов эукариот в результате поглощения бактерии археоном (Koonin el al., 2006).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Краткое рассмотрение современных взглядов на происхождение клеточных организмов показывает, сколь важную, а возможно, и решающую роль придают в этом процессе вирусам. Как выразился один вирусолог: «Древо жизни своими корнями погружено в океан вирусов» (Bamford, 2003). При этом многие (хотя и не все — см., например, Altstein, 1992) исследователи полагают, что ДНК-содержащие вирусы произошли из РНК-содержащих. Эти эволюционные сценарии весьма интересны, они объясняют сравнительное богатство способов хранения и реализации генетической информации у вирусов, а также стимулируют дальнейшие исследования. Конечно, мы не может и не должны забывать, что мир вирусов — один из главных источников болезней человека, животных и растений. В этой ипостаси вирусы — то, с чем надо бороться самым активнейшим образом. Но нельзя сбрасывать со счетов и то, что мы как человечество, да и вся живая природа не были бы без вирусов таковыми, как есть, а, может быть, и не существовали бы вообще.

В заключение я бы согласился с замечанием Ф. Дулитла (Doolittle, 2006), что пока эволюционные сценарии все же ближе к произведениям искусства и не обязательно должны быть истинными («Evolutionary scenarios are an artform. They do not have to be true!»). Будем надеяться, что прогресс науки либо подтвердит их справедливость, либо выдвинет новые, еще более увлекательные сценарии.

Настоящая статья частично основана на материалах лекции, прочитанной на научной школе «Evolution from Cellular to Social Scales» (NATO AS1, Гейло, Норвегия, 10-20 апреля 2007) (Agol, 2008).

Вблизи карачаевского аула Нижняя Теберда, на берегу реки Теберда, располагается старинный сентинский храм , возведенный в X веке и до сих пор считающийся Меккой для многих христиан. Совершить виртуальную прогулку по каменным коридорам многовекового строения Вы сможете, прочитав статью АВТОМОБИЛЬНАЯ ЭКСПЕДИЦИЯ «СИНИЛЬГА» на сайте travel.landroverlife.ru

«РОДСТВЕННИКИ» ВИРУСОВ

У вирусов есть многочисленные и достаточно близкие родственники это «эгоистические» генетические элементы (как ДНК, так и РНК), которые, подобно вирусам, полностью зависят от клеточных механизмов синтеза белков и генерации энергии. К ним относят вироиды (инфекционные, но не способные кодировать белки, относительно низкомолекулярные кольцевые РНК), плазмиды (разнообразные нехромосомные ДНК- и РНК-элементы), транспозоны (мобильные генетические элементы, перемещающиеся между различными участками генома), ретротраспозоны (мобильные элементы ДНК, перемещающиеся при участии механизма обратной транскрипции) и интроны (участки РНК, которые выщепляются из «зрелых» молекул РНК в процессе сплайсинга, а также соответствующие им участки ДНК).

Эти элементы могут быть интегрированы в клеточные ДНК или РНК или существовать в виде самостоятельных (до известной степени) молекул. Некоторые из них способны размножаться в клетке и мигрировать между клетками. И хотя в отличие от вирусов у них нет белок-содержащих оболочек и стабильных неклеточных форм, с вирусами их объединяет фундаментальная черта — они используют те же механизмы репликации и выражения генетической информации, которые были рассмотрены в предыдущем разделе. Поэтому есть все основания объединить эти элементы с вирусами в один общий домен биологических объектов. Это положение также весьма существенно при рассмотрении происхождения вирусов.

ПРОБЛЕМА ПРОИСХОЖДЕНИЯ ВИРУСОВ

Эволюционные взаимоотношения между вирусами и клеточными организмами — один из ключевых вопросов проблемы происхождения жизни. Нередко эволюцию трех главных живых доменов или «царств» — эубактерий, архей и эукариот — изображают в виде единого древа (хотя полного консенсуса по этому вопросу нет). Каково место вирусов на этом древе? И есть ли, вообще, такое место? Более того, правомерно ли представлять эволюцию вирусов в виде единой ветви какого-то древа или даже просто отдельного древа?

Проблема происхождения вирусов, естественно, привлекала к себе внимание с момента их открытия Д.И. Ивановским в конце XIX в. Обсуждение этого интригующего вопроса в течение первых ~100 лет вынуждено носило чисто спекулятивный характер (см., например, Luria, Darnell, 1967; Agol, 1976). Тем не менее, было высказано несколько интересных и в то время привлекательных гипотез. Схематически их можно разбить на три группы: вирусы -это «сбежавшие» из клетки «сумасшедшие» гены; это клетки, дегенерировавшие до предела паразитизма; и это доклеточные генетические элементы. В то время последняя точка зрения была наименее популярна, но, как мы увидим, оказалась наиболее близкой нашим теперешним представлениям.

Ищете, где быстро скачать новейшие программы для своего компьютера, тогда в закладках вашего любимого браузера обязательно должна присутствовать ссылка на сайт http://soft-container.net/, на котором Вы найдете огромное количество полезных програм, которые Вы сможете скачать совершенно бесплатно и без регистрации!

СТРАТЕГИИ ХРАНЕНИЯ И ЭКСПРЕССИИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ВИРУСОВ

Уже на сравнительно ранней стадии изучения молекулярной биологии вирусов стало ясно, что эти биологические объекты использую! непредвиденно разнообразные способы хранения и выражения генетической информации. Как уже упоминалось, вирусные геномы -в отличие от клеточных — могут быть представлены различными формами нуклеиновых кислот. Удобную и сейчас общепринятую — классификацию вирусов, принимающую во внимание это фундаментальное разнообразие, предложил Д. Балтимор в 1971 г. (Baltimore, 1971) (рис. 4). Ключевую позицию в этой классификации занимает вирусная информационная или матричная РНК (мРНК), которой Балтимор приписал положительную (+) полярность. Позитивными стали называть и тс цепи геномных нуклеиновых кислот (РНК и ДНК), у которых полярность соответствует полярности мРНК. Цепочки же РНК или ДНК, которые комплементарны вирусной мРНК, имеют, соответственно, негативную (-) полярность. В итоге, вирусы были разбиты на 6 групп или классов — вирусы с позитивным РНК-геномом, вирусы с негативным РНК-геномом, вирусы с двунитевым РНК-геномом, вирусы с двунитевым ДНК-геномом, вирусы с однонитевым ДНК-геномом (в этом случае полярность цепей не имеет принципиального значения) и ретровирусы, использующие механизм обратной транскрипции (т. е. синтез ДНК на матрице РНК).

Вскоре после публикации классификации Балтимора мы задумались над тем, исчерпывают ли включенные в нее вирусы все возможные способы хранения и выражения генетической информации. На основе достаточно простых молекулярно-биологических постулатов — прежде всего, принципе комплсментарности при синтезе нуклеиновых кислот — была предложена теоретическая система, которая предусматривала возможность существования и некоторых тогда неизвестных классов вирусов (Агол, 1974; Agol, 1974) (рис. 5). Наиболее важными «новичками» были вирусы с ДНК-геномом, цикл репродукции которых должен был включать обратную транскрипцию. Такие предсказанные вирусы действительно вскоре были обнаружены — сейчас их называют ретроидные вирусы или парарстровирусы. К ним относятся такой важный патоген, как вирус гепатита В, а также ряд растительных вирусов, например, вирус мозаики цветной капусты. Вирусы с позитивным РНК-геномом и двунитевым ДНК-геномом были формально разбиты на два класса каждый — в зависимости от того, являются ли промежуточные (образующиеся при репликации) формы геномной нуклеиновой кислоты однонитевыми или двунитевыми. Все эти классы сейчас «заселены».

Рис. 4. Классификация вирусов, предложенная Д. Балтимором (Baltimore, 1971, модифицировано).

Рис. 5. Система вирусов (Агол, 1974, модифицировано). Генетические системы вирусов, изображенных на голубом фоне, были предсказаны, а впоследствии обнаружены.

Таким образом, у вирусов — в отличие от клеточных организмов — реализуются все теоретические возможные способы хранения и выражения генетической информации. Это важнейшее обстоятельство, несомненно, имеет прямое отношение к проблеме происхождения вирусов.

Стафилокок является частой причиной пищеварительных токсикоинфекций. Лучшим средством борьбы с этим микроорганизмом является современное лекарство нортейк , способное в кратчайшие строки справиться с первопричиной инфекционного заболевания. Ознакомиться с подробной инструкцию к этому препарату и при необходимости купить НОРТЕЙК Вы сможете на сайте http://likitoria.com.

ВИРУС — ДО ИЛИ ПОСЛЕ КЛЕТКИ?

©2009 г. В. И. Игол

Институт полиомиелита и вирусных энцефалитов им. М.П. Чумакова РАМН

и Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Кратко рассмотрена природа вирусов и фундаментальное отличие механизмов их репродукции от клеточного деления. Способы хранения и выражения генетической информации у вирусов значительно богаче, чем у клеток. По современным представлениям, «мир РН К» возник раньше «мира ДН К». В свете этих представлений рассмотрены гипотезы о происхождении вирусов, — как та, по которой сначала появились клетки с РНК-геномом, а затем уже вирусы, так и та, которая постулирует первичное возникновение РНК-содержащих вирусов. И в том, и другом случае предполагается, что ДНК-геномы впервые появились у вирусов и что вирусы сыграли решающую роль в возникновении архей, эубактерий и эукариот.

ВВЕДЕНИЕ

Вирусы — это генетические элементы, существующие в двух формах. Во-первых, пассивная внеклеточная форма — это молекулы ДНК или РНК, обычно заключенные в бслок-содержащую оболочку. Можно сказать, что вирусы — просто некий класс весьма сложных химических соединений. Например, вирус полиомиелита может быть представлен такой формулой – C₃₃₂₆₅₂H₄₉₂₃₈₈N₉₈₂₄₅O₁₃₁₁₉₆P₇₅₀₁S₂₃₄₀ (Wimmer et al., 1993). Другая форма существования вирусов — активная, внутриклеточная и обычно способная к выражению генетической информации. В такой форме вирусы — живые объекты, обладающие наследственностью и способные к эволюции.

Вирусы — наиболее многочисленный класс биологических объектов. По некоторым оценкам, на пашей планете существует около 10³¹ вирусных частиц (Breitbart, Rohwer, 2005). Полагают, что в одних лишь вирусах, обитающих в океанах и морях, содержится ~2х10⁸ тонн углерода, что примерно эквивалентно содержанию этого элемента в 7Х10⁷ голубых китов. Соответственно, если эти вирусы выстроить в цепочку, то ее длина составит ~10⁷ световых лет (-100 диаметров нашей Галактики) (Suttle, 2005, 2007).

Вирусы не только многочисленны, но и чрезвычайно разнообразны. В килограмме морского осадка может находиться порядка миллиона различных вирусных генотипов (Breitbart, Rohwer, 2005). Вирусы могут иметь палочковидную или нитевидную форму, обладать кубической или спиральной симметрией, представлять собой плеоморфные образования и т. д. Некоторое представление о разнообразии форм и размеров вирусов дает рис. 1. Наиболее крупный из известных вирусов — мимивирус — вполне сопоставим по размерам с мельчайшими микроорганизмами, такими, например, как микоплазма.

Рис. 1. Разнообразие форм и размеров вирусов. Масштаб (если не указано иначе) — 100 им.

Вирусный геном может быть представлен как однонитевыми, так и двунитсвыми молекулами РНК или ДНК, причем эти молекулы могут быть линейными или кольцевыми (рис. 2). Как известно, клеточные организмы имеют только двунитевые ДНК-геномы. Количество нуклеотидов в геномах известных РНК-вирусов варьирует от немногим более полутора тысяч до ~32000, а количество генов — от 1 до полутора десятков. В ДНК-геномах вариации более значительны — если минимальное число нуклеотидов в них не сильно отличается от такового у РНК-вирусов, то известный сегодня максимум это ~1.2х10⁶ пар нуклеотидов, а число генов колеблется от 2 до 1200. Размер ДНК и число генов у самых крупных вирусов в несколько раз превышает эти параметры у мельчайших бактерий (например, Buchnera aphidicola), архей (Nanoarchaeon ecpiitans) и эукариот (Guillardia theta).

Рис. 2. Схематическое изображение структуры и формы вирусных геномов.

Рис. 3. Различия между механизмами деления клеток и размножения вирусов.

Если вирусы столь разнообразны, то что же их объединяет и отличает от всех других (клеточных) биологических организмов? Таких фундаментальных признаков два. Первый -это особенности метаболизма: вирусы неспособны синтезировать белок из-за отсутствия трансляционного аппарата, а также аккумулировать химическую энергию в виде АТР и подобных соединений из-за отсутствия дыхания, гликолиза или фотосинтеза (в отличие от вирусов даже мельчайшие паразитические микроорганизмы умеют синтезировать белки и производить АТР). Поэтому вирусы — облигатные паразиты, т. е. их размножение может происходить только в клетке-хозяине. Облигатный паразитизм входил во многие определения вирусов. Сейчас необходимо сделать некоторые уточнения. Так, показана принципиальная возможность репродукция вирусов в бесклеточных экстрактах (Molla et al., 1991). Тем не менее, абсолютная зависимость вирусов от клеточных компонентов и клеточных источников энергии остается непреложным фактом. Показана также возможность лабораторного химического синтеза жизнеспособного вирусного генома (Cello et al., 2002), но размножаться этот геном может опять-таки только либо в живых клетках, либо в бесклеточных экстрактах. Таким образом, фундаментальное различие метаболизма вирусов и клеточных организмов сохраняет силу.

Второй фундаментальный признак — сам способ размножения. Размножение вирусов основано на так называемом дизъюнктивном механизме, при котором вирус-специфические белки и нуклеиновые кислоты накапливаются в виде отдельных пулов, из которых в конечном счете они черпаются для сборки дочерних вирусных частиц или их главного компонента — нуклеопротеидной сердцевины (рис. 3). В противоположность этому, размножение клеток происходит путем деления (чаще всего, но не обязательно — бинарного). На каких-то этапах своей жизненной истории геном некоторых вирусов может включаться в состав клеточной хромосомы. В этом случае вирусный геном существует как интегральный компонент этой хромосомы и подвергается удвоению при клеточном делении. Однако, последующее образование вирусного потомства (т. е. собственно репродукция вируса) всегда происходит по каноническому дизъюнктивному механизму.

Надоело мериться с капризами вашего видавшего виды персонального компьютера? Значит, пришло время обзавестись современным мощным ноутбуком! Не удивлюсь, если вашим первым порывом в желании приобрести персональный компьютер станет вбитый в поисковую строку Яндекса запрос: “Интернет-магазин ноутбуки Харьков ”, ответом на который, к сожалению, будет внушительный список сайтов, ценовая политика которых вызовет шок у любого нормального человека. Я советую Вам не тратить попусту свое время и сразу же перейти на сайт teleman.com.ua, на котором представлен огромный выбор ноутбуков, качество и цена которых приятно Вас удивит.

СТРАТЕГИИ ХРАНЕНИЯ И ЭКСПРЕССИИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ВИРУСОВ >>

Дискуссия

по пленарному докладу АБ. Четверина

«МОЖНО ЛИ СОБРАТЬ КЛЕТКУ ИЗ ЕЕ КОМПОНЕНТОВ?»

Председательствующий А.И. Григорьев

Л.М. Мухин: Поясните Ваш тезис о том, что наноколонии, растущие в глине, могли быть формой компартментализации не только в мире РНК, но и в процессе становления белкового мира?

А.Б.Ч.: Мы показали, что в напоколониях возможно не только размножение РНК или ДН К, но возможна трансляция, экспрессия нуклеиновых кислот- если гель содержит компоненты, которые катализируют синтез белка на РНК. На каком-то этапе рибозимы приобрели способность катализировать производство пол и пептидов — тогда и происходило становление белкового мира.

В Н. Сиытников: Известно, что алюмосиликаты, в частности, монтмориллонит, являются хорошими катализаторами. Многие цеолиты используются в промышленности в этом качестве. И то, что они сорбируют органические соединения — тоже хорошо известный факт. С точки зрения работоспособности катализаторов проблема заключается в том, что стоит им только что-то адсорбировать — и после этого крайне сложно происходит десорбция (все поры закрываются). Как же в Вашем случае будет происходить десорбция из пор этих длинных и сложных молекул?

A. Б.Ч.: Я предполагаю, что десорбировать полинуклеотиды там и не надо. Мононуклеотиды сорбируются обратимо. Полинуклеотиды сорбируются практически необратимо. Но это и не нужно, так как глина может разбиваться на мелкие фрагменты, кусочки, эти частички глины могут переноситься на другое место — вместе с теми РНК, которые были на них сорбированы. На новом месте, прилипая к еще «незаселенному» куску глины, они могут дать место новой колонии РНК.

B. Н. Сиытников: Так ведь активный центр на алюмосиликатах уже закрыт,

А.Б.Ч.: Правильно. Но колония может расти по принципу грибницы — своей периферией, там, где активные центры еще не забиты,

М.Я. Маров: Вы говорили о бактериальном геноме. Геном — это каталог генов. Вы упомянули, что можно налить компоненты в пробирку и собрать геном. Возникает вопрос — все-таки любой каталог организован — эта организация, она определяется некой внутренней упорядоченностью, которая возникает в геноме?

А.Б.Ч.: Мы берем пробирку, в которой есть все компоненты для синтеза РНК, ДНК и белка, кидаем туда сколько-то молекул матрицы, начинается синтез ДНК, на ней — РНК. а потом синтез белка. Для этого процесса никакой особой организации, кроме последовательности полинуклеотидов, не надо. Идет синтез белка. Александр Сергеевич Спирин показал, что если все это поместить в реактор и добавлять туда новые компоненты и убирать продукты жизнедеятельности, то теоретически этот процесс может происходить бесконечно долго.

М.Я. Маров: Для клетки понятно — есть некая матрица, которая это все выстраивает. А вот для генома это все-таки что — система сама знает, в какой последовательности полинуклеотиды выстраивать?

А.Б.Ч.: Она не знает. Если есть матрица, то вопрос, откуда взялась матрица? Об этом лучше расскажет Александр Сергеевич Спирин. Относительно того, имеет ли значение взаимное расположение генов внутри хромосомы — это существенно для высокоорганизованных организмов, скажем, для эукариот. В случае бактерий этот эффект минимален. Для простейшей клетки эти проблемы не имеют значения — должны быть гены, последовательность полинуклеотидов, которые обеспечивают синтез полипептида, который способен собираться во что-то и давать функционирующий белок.

М.Я. Маров: Это в какой-то мере отражает концепцию, сейчас все более и более принимаемую в качестве некой парадигмы, что в нелинейных открытых системах происходит некая упорядоченность из первичной хаотической структуры. Отражается ли это в данной ситуации — на таком макромолекулярном уровне?

A. Б.Ч.: Думаю, что да.

B. Н. Сиытников: У химиков есть понятие «выхода». Каков выход собранных клеток из компонентов?

А.Б.Ч.: Для биологии выход гораздо менее важен, чем для химии, потому что в биологии, если что-то родилось в количестве одной миллиардной или одной триллионной доли от всей массы, но при этом это что-то получило способность эффективно размножаться, этот успех будет закреплен.

СВ. Рожнов: Можно ли создать из необходимых компонентов не просто клетку, а такую клетку, из которой в дальнейшем могло бы возникнуть все разнообразие органического мира?

А.Б.Ч.: Не знаю. Это совершенно особая тема.

СВ. Шестаков: Из Вашего доклада следует, что и без Qβ-репликазы возможно самопроизвольное образование полинуклеотидов, и очень длинных. Эти полинуклеотиды уже могут быть матрицей для репликации этих же молекул. Возникает вопрос, на каком этапе мы должны думать о возможности упорядоченной структуры полинуклеотидов для создания предпосылок генетического кода? Ведь синтез этих молекул у Вас — неупорядоченный, это просто химическая реакция.

А.Б.Ч.: Не знаю. Это все очень сложные вопросы. Рассматривая вопрос, вынесенный в название доклада, я предполагаю, что все компоненты, из которых планируется создать клетку — в наличии, имеется их некий склад. Вопрос: можно ли собрать клетку из ее компонентов? Ответ: если есть готовые компоненты — да, можно. Можно ли создать клетку естественным путем, путем эволюции, неконтролируемой экспериментатором — я не знаю.

СВ. Шестаков: Химическим способом можно создать геном, пусть и очень маленький.

А.Б.Ч.: Да, но мы сами пока еще не можем придумать последовательность ДНК, которая была бы жизнеспособна. Чтобы запустить реакцию, нам необходимо поместить эту ДНК в «сосуд», который уже содержит все необходимые белки, чтобы запустить воспроизведение, размножение и экспрессию этой ДНК. Если мы дали этот первичный толчок белками, то после этого будут синтезироваться новые белки. Но первоначальные белки-то мы берем из живой клетки.

СВ. Шестаков: Если у Вас образовались многочисленные разнообразные полинуклеотиды, они могут взаимодействовать между собой, удлиняется полинуклеотидная цепочка. К чему это увеличение размера полинуклеотидной цепочки приведет?

А.Б.Ч.: Если в результате такого складывания образуется репликаза, которая потом станет копировать, появится механизм для дальнейшего усложнения и усовершенствования. Достаточно запустить реакцию.

А.Б. Рубин: Если все получившееся в результате эксперимента поместить в липосому, то это все будет работать как клетка. Но в живой клетке есть гетерогенность, есть последовательность процессов.

А.Б.Ч.: Главным образом это относится к клеткам совершенным, эукариотическим, у которых есть цитоскслет, органеллы, ядро отделено от цитоплазмы и т.д. В бактериальной клетке самая сложная структура — это мембрана, пожалуй. Проблема структурной организации мембраны не решена. Поэтому я предлагаю в качестве временной меры для экспериментов использовать наноколонии.

Л.В. Ксанфома.чити: Сорбционные свойства монтмориллонита обладают температурной избирательностью?

A. Б.Ч.: Здесь я не специалист.

B. Н. Сиытников: Да, обладают.

В.И. Агол: Шостак показал в вышедшей неделю назад статье, что при определенном составе липосомы термостабильны, при высокой температуре резко повышается проницаемость нуклеотидов, и создается возможность осуществлять полимеразную цепную реакцию в липосомах.

А.Б.Ч.: То, что в липосомах можно делать ПЦР, было показано несколько лет назад. Но я не думаю, что были такие большие скачки температуры.

Л.М. Мухин
: Какое значение имеет тот факт, что на глинах нельзя строить бесконечные цепочки (там ведь порядка 40 нуклеотидов)?

А.Б.Ч.: Это безматрично. Да, можно спонтанно синтезировать 40 нуклеотидов, а потом путем рекомбинаций сделать больше.

ВИРУС — ДО ИЛИ ПОСЛЕ КЛЕТКИ? >>

ЖИЗНЬ ЗАРОДИЛАСЬ В ГЛИНЕ?

Есть разные глины, которые различаются по своим свойствам. Есть каолинит и монтмориллонит. Они, с одной стороны, похожи по внешнему виду, но с другой стороны, сильно различаются по своим свойствам (табл. 1). В частности, удельная поверхность монтмориллонита па два порядка больше, чем у каолинита, и емкость по ионному обмену тоже гораздо больше, примерно на порядок (Еремин, 2004). То есть глина — это не просто пористое вещество, а ионообменник. Монтмориллонит — это слоистый алюмосиликат. Расстояние между слоями в сухом виде 1-2 нм, а при набухании (пропитывании водой) увеличивается в несколько раз, что объясняет большую сорбционную емкость монтмориллонита. При этом расстояние между слоями становится сопоставимым с размерами наномолекул.

Оказалось, что благодаря своим ионообменным и сорбционным свойствам, слоистые глины могут концентрировать нуклеотиды из окружающего пространства. Если 50 мг глины (это 20 микролитров, то есть одна пятидесятитысячная часть литра) добавить к одному литру 15 мкМ AMP, то в пределах суток на этом количестве глины окажется адсорбировано от 10 % (в присутствии Na) до 90 % (в присутствии Mg²⁺) AMP (Ferris, Ertem, Agarwal, 1989). Иными словами, объем, в котором находился нуклеотид, уменьшился в пятьдесят тысяч раз. Следовательно, имеет место пятидесятитысячекратное концентрирование нуклеотидов на глине по сравнению с тем, что было в окружающей среде, то есть локальная концентрация нуклеотида в глине самопроизвольно в присутствии ионов Mg²⁺ может возрасти до 0.5 М. Это совсем другие концентрации, чем используются в экспериментах с липосомами [5 мМ (Mansy et al., 2008)].

Далее оказалось, что слоистые алюмосиликаты могут сорбировать с высоким сродством полинуклеотиды, при этом сорбционная способность (аффинность) полинуклеотида зависит от того, в присутствии какого катиона проводится эксперимент (Franchi, Ferris, Gallon, 2003). Особенно хорошо алюмосиликаты адсорбируют полинуклеотиды в присутствии кальция и магния. Если концентрация катиона 1 мМ или выше, то одноцепочечные РНК или ДНК сорбируются па глине полностью.

Таблица 1. Сравнение свойств слоистых алюмосиликатов (по Ferris, Ertem, Agarwal, 1989)

Важно, что глины имеют большее сродство к одноцепочечным молекулам, чем к двуцспочсчным (Franchi, Ferris, Gallon, 2003). Это может иметь отношение к механизму репликации полинуклеотидов, поскольку тем самым стабилизируется одноцепочечное состояние, которое и является реплицируемым. Иными словами, глины могут выполнять роль SSB-белков (single strand-binding protein), которые участвуют в репликации ДНК и препятствуют отжигу комплементарных цепей, связываясь с ними.

Более того, оказалось, что глины не только адсорбируют нуклеотиды и полинуклеотиды, но и катализируют безматричную полимеризацию нуклеотидов. В присутствии 10-нуклеотидного праймера на глине происходит спонтанное образование РНК длиной до 40 нуклеотидов и больше, если в качестве субстрата реакции используют активированное производное AMP — фосфоримидазолид аденозина. Это при том, что в отсутствие глины максимально синтезируемая длина — 10 нуклеотидов, причем, в основном, обнаруживаются только динуклеотиды, потому что скорость полимеризации только в 10 раз выше скорости спонтанного гидролиза полирибонуклеотидов (Ferris et al., 1996). Если же активировать нуклеотиды не имидазолом, а метиладенином, то РНК длиной 40 нуклеотидов образуются на глине в пределах 8 часов (Huang, Ferris, 2006). Это существенно более высокие скорости, чем при полимеризации нуклеотидов в липосомах (Mansy et al., 2008). Интересно, что до 80 % продуктов синтеза представлены РНК, в которых нуклеотиды связаны между собой 3’—5′ связями. Это очень важно, так как именно такие связи присутствуют в нормальных природных РНК.

Большинство этих экспериментов было сделано в лаборатории Джеймса Ферриса (James P. Ferris), который также показал, что глина придает процессу полимеризации нуклеотидов определенную хиральную селективность. Так, при использовании рацемической смеси D-и L-энантиомеров фосфоримидазолида аденозина для синтеза олигонуклеотидов, на монтмориллоните образуется соответственно в 1.3, 1.6 и 2.1 раз больше гомохиральных димеров (D,D и L,L), тримеров (D,D,D и L,L,L) и тетрамеров (D,D,D,D и L,L,L,L), чем статистически ожидаемая доля (Joshi, Pitsch, Ferris, 2007). Иными словами, при удлинении синтезируемого полинуклеотида его гомохиральность усиливается.

Наконец, недавно сделаны интересные наблюдения о поведении монтмориллонита по отношению к простым органическим молекулам. Если метанол нагревать при 300 °С и 1000 атм, то он разлагается в отсутствие монтмориллонита, но сохраняется в его присутствии. Более того, в этих условиях монтмориллонит катализирует образование из метанола других, более сложных соединений. Отсюда авторы предположили, что в определенную геологическую эпоху в монтмориллоните могли образовываться предшественники РНК и других биополимеров (Williams et al., 2005). Также монтмориллонит может защищать адсорбированные рибозимы от разрушения ультрафиолетовым излучением (Biondi et al., 2007). Возможно, этому есть простое объяснение: то, что глина непрозрачна для ультрафиолета.

Таким образом, существует много свидетельств в пользу того, что монтмориллонит мог служить чем-то вроде инкубатора для простых и сложных органических молекул, своего рода «первичной маткой» [primordial womb (Williams et al., 2005)] для жизни на Земле. В этой связи интересно, что монтмориллонит не только повсеместно распространен на Земле, но и обнаружен в составе метеоритов, а также на Марсе (Poulet et al., 2005).

Все указанные свойства делают монтмориллонит идеальной средой для образования и роста молекулярных колоний в мире РНК: он гидрофилен, содержит необходимого размера поры и обладает способностью концентрировать на себе субстраты для синтеза РНК. Более того, монтмориллонит способен был, в отсутствие клеточной мембраны, решить проблему совместного наследования разных видов РНК, составляющих смешанную молекулярную колонию и обладающих взаимодополняющими функциями (Спирин, 2005а, б). Действительно, колония, выросшая на монтмориллоните, может размножаться путем выветривания (отделения частиц) минерала. Множество молекул РНК, адсорбированных на одной оторвавшейся микрочастице глины, будут перенесены вес вместе в другое место и там дадут начало новой колонии, содержащей все необходимые для ее роста виды РНК.

Теперь вернемся клипосомам. На каком-то этапе эволюции вокруг биомолекул должны были образоваться липидные мембраны, чтобы дать начало современным клеткам. Оказывается, монтмориллонит мог и здесь сыграть важную роль, потому что он в 100 раз ускоряет формирование липосом из эмульсии липидов. Более того, частицы монтмориллонита, способные нести на себе нуклеотиды, РНК и ДНК (см. выше), оказываются включенными внутрь липосом, то есть окружаются липидной мембраной (Hanczyc, Fujikawa, Szostak, 2003).

Здесь я хочу высказать предположение, что липидная мембрана вокруг реплицирующихся молекул (РНК, ДНК) образовалась на более поздних стадиях эволюции, тогда, когда стал возможен синтез хотя бы коротких полипептидов, подобных антибактериальным (антимикробным) пептидам — цекропипу, магаинину и т. д. (Wang Z., Wang G., 2004). Это короткие (20-40 аминокислотных остатков) α-спиральные пептиды, способные образовывать поры в липидных мембранах, экспонируя свои гидрофобные поверхности внутрь мембраны, а гидрофильные — внутрь поры (Hallock, Lee, Ramamoorthy, 2003). Такие поры могли решить проблему проницаемости мембраны липосом для низкомолекулярных веществ и, тем самым, обеспечить потребности синтеза биополимеров внутри липосом.

ВЫВОДЫ

1. В настоящее время осуществим полностью химический синтез генома, содержащего набор всех генов, необходимых для функционирования клетки. Однако отсутствует экспериментальная модель для сборки жизнеспособных клеток de novo.

2. Наноколонии (молекулярные колонии) могли бы стать такой экспериментальной моделью. Они являются функциональными аналогами клеток, позволяющими осуществлять сборку клеточных компонентов и проверять, какой вариант сборки обеспечивает полноценную экспрессию генома:

— обеспечивают компартментализацию этих компонентов,

— способны осуществлять различные биохимические реакции, составляющие всю цепочку экспрессии генов,

— позволяют добавлять и убирать компоненты путем простого пропитывания геля (поскольку они лишены оболочки),

— удобны для скрининга (расположены в одной плоскости),

— обеспечивают связь генотипа и фенотипа, что необходимо для естественного отбора,

— способны эволюционировать, то есть образовывать новый генетический материал, который затем может быть экспрессирован.

3. Наноколонии, растущие в глине, могли быть формой компартментализации на первых этапах эволюции в мире РНК и в процессе становления белкового мира. Монтмориллонит, один из видов глины, способен обеспечивать все условия, необходимые для роста, эволюции и размножения колоний РНК, а также для их трансформации в клетки, окруженные липидной мембраной:

— концентрировать из окружающей водной среды и стабилизировать активированные рибонуклеотиды,

— катализировать полимеризацию рибонуклеотидов,

— обеспечивать относительную хиральную однородность синтезированных полирибо-нуклеотидов (РНК),

— иммобилизовать РНК — как матрицы, так и их копии, не давать им уходить в окружающий раствор,

— более прочно связывать однотяжные РНК, чем двутяжные, что стабилизирует способное к репликации состояние,

— компартментализовать РНК в отсутствие липидных мембран (формировать колонии РНК),

— удерживать рядом разные виды РНК, которые могли бы создавать смешанную колонию, и обеспечивать их совместное наследование,

— формировать липосомы вокруг колоний РНК.

Я благодарен оргкомитету рабочего совещания «Проблемы происхождения жизни» за приглашение выступить с этим докладом, а также моей жене и коллеге Е.В. Четвериной за неоценимую помощь в подготовке рукописи. Работа поддержана грантами РФФИ и программой Президиума РАН «Молекулярная и клеточная биология».

Вашим гидом по миру красоты, изящества и стиля станет женский сайт www.bt-lady.com.ua, который поможет Вам оставаться женщиной даже в самые сложные периоды вашей жизни.

МОЖНО ЛИ СОБРАТЬ КЛЕТКУ ИЗ ЕЕ КОМПОНЕНТОВ? >>