С.А. Боринская, к.б.н., Институт генетики РАН, г.Москва
Происхождениежизни остается одной из самых интригующих тайн. В «домолекулярный» периодразвития биологии научные концепции возникновения живых организмов представлялисобой в значительной мере непротиворечивые гипотезы. С развитием молекулярнойбиологии и особенно геномных исследований последнего десятилетия появилисьэмпирические данные, которые дают более прочные основания для того, чтобыреконструировать последовательность появления по крайне мере некоторых ключевыхпроцессов в живых организмах. Не имея возможности дать здесь обзор того пути, которыйпрошла наука со времен первых работ Опарина и Холдейна, приведем лишь несколькопримеров разрабатываемых ныне подходов. Популярные обзоры начальных этаповзарождения жизни, включая работы академиков А.С. Спирина, А.Г. Заварзина идругих ведущих ученых в этой области, можно найти на сайте А.В. Маркова«Проблемы эволюции» в разделе «Зарождение жизни. Прокариотная биосфера»(http://macroevolution.narod.ru/paleobac.htm#1).
Вопроспроисхождения жизни возникал на новом уровне всякий раз, как менялисьпредставления о живых организмах. Когда были сформированы представления оклеточной природе жизни, возник вопрос о происхождении клетки. Когда сталиизвестны строение и функции ДНК, РНК, белков, ученые попытались понять, каковбыл порядок появления этих «молекул жизни». ДНК способна хранить наследственнуюинформацию, но не выполняет каталитические функции и без белков не можетреплицироваться, белки же не могут самовоспроизводиться. РНК, казалось бы, играетлишь роль посредника между ДНК и белками и, в некоторых случаях, выполняетструктурные (рРНК) и транспортные (тРНК) функции.
Однакоименно РНК привлекла внимание исследователей 1980-х гг. Два открытия оказалинаибольшее влияние на формирование существующих сейчас представлений. Первое –это обнаружение фермента ревертазы и осуществляемого ею процесса обратнойтранскрипции, т.е. синтеза ДНК на РНК (Г.Темин и Д.Балтимор, Нобелевская премия 1975 г.). Второе – открытие рибозимов – молекул РНК, обладающих каталитическойактивностью (С.Олтмен и Т.Чех, Нобелевская премия 1989 г.). Тот факт, что РНК способна катализировать биохимические реакции, указывал, что именно она –подходящий кандидат для того, чтобы быть первой среди других «главных»макромолекул клетки.
РНКспособна катализировать биохимические процессы, и сейчас показано, что врибосомах и в некоторых ферментах она выполняет не только структурные функции, нои непосредственно участвует в катализе, т.е. работает как рибозим. Кроме того, очевидно,что РНК способна хранить и воспроизводить генетическую информацию так же, как иДНК.
Множестводеталей биохимических процессов получили логическое объяснение с принятиемпредположения о появлении РНК на самых ранних этапах зарождения жизни. Так, например,ДНК-полимераза не способна самостоятельно инициировать синтез ДНК, и ейнеобходима помощь другого фермента, праймазы, который синтезирует небольшойфрагмент РНК (РНК-затравку). Можно полагать, что ДНК-полимераза так и «ненаучилась» начинать синтез самостоятельно и использование затравки представляетсобой реликт, оставшийся с того времени, когда главной молекулой была РНК.
Этии многие другие факты легли в основу представлений о том, что исходно молекулыРНК выполняли функции и геномные, и каталитические, затем появились белки илишь потом ДНК. Эта концепция, получившая название «РНК-мир», в настоящее времяпочти общепринята в англоязычных учебниках. Сам термин «РНК-мир» предложен в 1986 г. химиком Уолтером Гилбертом (получившим Нобелевскую премию за создание методов определенияпоследовательностей нуклеотидов), интересовавшимся проблемой происхожденияжизни.
Собственноидея о возможности существования автономных «РНК-организмов» была высказана вконце 1960-х гг., еще до открытия рибозимов, американскими учеными Карлом Везе(микробиологом) и Лесли Оргелом (специалистом по химической эволюции). Онипредположили, что такие организмы были бы возможны, если бы РНК могла выполнятьнекоторые каталитические функции, и указали, что в этом случае можно было бырассматривать коферменты, включающие в свой состав нуклеотиды, как оставшиесяот времени, когда РНК функционировала без помощи белков.
Попыткиреконструировать свойства древнейших организмов были сделаны на основесравнения разных ветвей филогенетического древа жизни. Логика сравнений быласледующей: если у представителей самых различных филогенетически отдаленныхтаксонов тот или иной признак присутствует, то можно считать, что онприсутствовал и у их общего предка.
Вконце 1970-х гг. К.Везе предложил новую, трехдоменную, классификацию организмоввместо принятого до того подразделения их на две группы – прокариот и эукариот.Он показал, что рРНК прокариот (которые существенно отличаются отэукариотических рРНК) по сходству нуклеотидных последовательностей можноподразделить на две группы. В одной из них оказались многие виды-экстремофилы(галлофилы, термофилы и т.п.), в другой – многие хорошо известные бактерии.Различались эти группы не только по рРНК, но и по строению самой рибосомы, строениюи составу компонентов клеточной мембраны и другим признакам. Вторая группа быланазвана эубактериями, или просто бактериями (Bacteria). Полагая, что прокариотыпервой из выделенных групп могут быть более древними, чем собственно бактерии, Везеназвал их архебактериями, или археями (Archaea). Однако впоследствии стало ясно,что обе группы произошли от общего предка, поэтому считать одну из них болеедревней, чем другую, нет оснований. Эта классификация стала общепринятой, итеперь все организмы подразделяют на три надцарства, или империи: археи, бактериии эукариоты.
Таккак эукариотическая клетка, согласно современным представлениям, возникла какпродукт симбиоза архей и бактерий, сравнение именно двух последних групп даетвозможность предположить, какими свойствами обладал их общий предок – прогенот(этот термин был предложен Везе для обозначения примитивной предковой формы), или,более точно, последний универсальный общий предок (last universal commonansetor, LUCA). Отметим, что речь идет не о первом клеточном организме, а онеизвестной форме жизни, которая дала начало всему разнообразию современныхорганизмов. Реконструкция этой формы идет не от корней к современным ветвям, анаоборот, от признаков, известных для различных групп современных организмов, назад,в прошлое, к предкам этих групп и предкам этих предков.
Вработе, опубликованной в 1989 г., химик и специалист по молекулярной эволюцииС.Беннер с коллегами рассмотрели современный молекулярный катализ как комплекснедавно возникших черт, наложенных на более древние свойства, останки предковойжизни. «Примитивные» процессы, доставшиеся современным организмам от РНК-мира, должныхарактеризоваться следующими признаками: 1) в процесс должна быть вовлеченаРНК; 2) химические свойства РНК собственно не должны быть существенны длявыполнения функции; 3) функция может выполняться и не содержащими РНКкомпонентами, причем более эффективно.
Перечисленнымтребованиям отвечают такие кофакторы, как никотинамиддинуклеотид (НАД+), S-аденозилметионин,кофермент А, АТФ, флавин-адениннуклеотид (ФАД). Эти кофакторы представлены вовсех трех доменах жизни, и их РНК-фрагменты не существенны для выполнениякофакторами своих функций. Так, в качестве кофактора АТФ является доноромфосфата для некоторых ферментов-киназ, но эту же функцию выполняет пирофосфат, несодержащий нуклеотидов. Донорами метильной группы являются какS-аденозилметионин, так и S, S-диметилтиоацетат. Скорее всего, у общего предкасуществовали процессы, в которых участвовали перечисленные кофакторы. Можноуказать и процессы, которые у него отсутствовали. Например, LUCA не имелсистемы синтеза мембранных липидов, т.к. у архей липиды клеточной мембраныпредставлены не жирными кислотами, а другими веществами (многоатомными спиртами,и приписывать общему предку синтез компонентов мембраны нет оснований.
/>
Параллельнос развитием идеи РНК-мира была сформулирована концепция происхождения жизни сучастием минеральных соединений, таких как соединения фосфора (апатиты) илисульфиды железа (пириты). Жизнь не могла развиться в гомогенном «первичномбульоне», для ее развития нужна была изоляция «биореакторов» от окружающейсреды. Минеральные поверхности или полости могли служить для концентрацииорганических веществ, позволяя тем самым решить проблему компартментализации.Кроме того, вокруг них или на их границах могли возникать электрохимические итемпературные градиенты, что также облегчает создание моделей происхожденияжизни. По словам М.Рассела, профессора геологии в Глазго и одного из создателейконцепции происхождения жизни на микроструктурах пирита, «жизнь любит жить вградиентах». Предполагается, что эти структуры формировались в условиях, похожихна те, которые существуют в современных глубоководных гидротермальных системах.
Принципиальноновые возможности реконструкции эволюции и происхождения жизни открылись спрочтением последовательностей нуклеотидов полных геномов. В последнеедесятилетие базы данных непрерывно пополняются информацией о полных геномахразличных организмов. Это дает возможность сравнивать не отдельные фрагментыбиохимических систем, а полные картины метаболизма представителей различныхветвей жизни. Анализ геномов подтверждает выводы, сделанные ранее на основесравнения метаболических систем и строения клетки.
Основныебелки системы транскрипции и трансляции у архей и бактерий очень сходны, а вотсистемы синтеза ДНК различаются – у них совершенно разные ферментыДНК-полимераза, праймаза (синтезирующая РНК-затравку) и репликативная геликаза(фермент, расплетающий двойную спираль ДНК при репликации). Видимо, LUCA имелсистемы синтеза РНК и трансляции, принципиально сходные с современными, но неимел двухцепочечной ДНК, т.е. наследственным материалом у него была РНК. Однаконекоторые компоненты системы ДНК-репликации (ДНК-лигаза и еще несколько белков)у архей и бактерий все же общие. Ферменты биосинтеза предшественников ДНК –рибонуклеотид редуктаза (превращает рибонуклеотиды в дезоксирибонуклеотиды) итимидилаткиназа – схожи у всех прокариот. Следовательно, синтез ДНК у LUCA всеже происходил, но функции ДНК были иными. Ферментативная система для репликациидвухцепочечной ДНК и способность использовать ДНК как основное хранилищеинформации возникли независимо друг от друга в двух линиях прокариот.
Гены,определяющие биосинтез компонентов клеточной мембраны и клеточной стенки, различныу бактерий и архей. Следовательно, эти системы возникли в процессе эволюциинезависимо, и у общего предка отсутствовали: он не имел клеточной мембраны, т.е.не был клеткой в современном понимании. Тем не менее некоторые ключевыеферменты, для работы которых необходимы мембраны, такие как протонная АТФаза, похожиу архей и бактерий. Казалось бы, это противоречит утверждению, что общий предокне имел мембран. Однако речь идет об отсутствии биогенных мембран, а не оботсутствии гидрофобных поверхностей вообще. Вероятно, можно было использоватьгидрофобные слои, которые существовали на поверхности минеральных компартментов,не имея еще синтеза липидов и его генетического обеспечения.
Сравнительнаягеномика позволяет делать обоснованные эмпирическим материалом предположения одеталях развития жизни, которые вряд ли можно было бы вывести на основе чистологических рассуждений. Например, как показано в работах Е.Кунина и его группыиз Национального центра биотехнологической информации США, РНК-полимеразыпроисходят из белкового домена, который как димер, не имеющий каталитическойактивности, вероятно, функционировал в качестве кофактора рибозимаРНК-полимеразы в РНК-мире.
Исследованиегеномов открывает большие перспективы в реконструкции картины появления иэволюции жизни на Земле. Пока наиболее вероятным кажется, что общий предоксовременных организмов не был единственным видом – скорее это была вариабельнаяколлекция субклеточных процессов, которые достаточно свободно обменивалисьгенетической информацией и молекулярными структурами.
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта bio.1september.ru