Геном - Мэтт Ридли 3 стр.

РНК — это та химическая субстанция, которая связыва­ет между собой ДНК и белки. Сейчас РНК используется в клетке главным образом как промежуточное сообщение для трансляции кода ДНК в последовательность аминокис­лот в белке. Но все меньше остается сомнений, что именно РНК была предшественницей обоих — белка и ДНК.

Слово было РНК. Существует пять свидетельств того, что РНК появилась раньше белков и ДНК.

1. Даже теперь химические ингредиенты молекулы ДНК получаются путем модификации ингредиентов моле­кулы РНК. Например, буква Т (тимин), относящаяся к ДНК, синтезируется из буквы U (урацила) — принад­лежащей РНК.

2. Многие ферменты для активации требуют присут­ствия небольших молекул РНК.

3. Кроме того, РНК в отличие от ДНК и белков способна к самокопированию без чьего-либо участия. Добавьте только в среду необходимые ингредиенты, и процесс пойдет.

4. Если внимательно рассмотреть биохимическую ак­тивность клетки, то окажется, что все основополага­ющие и реликтовые процессы происходят с участием РНК. Это РНК-зависимые ферменты считывают ин­формацию с ДНК, преобразуя ее в информационную РНК. Именно из РНК построены рибосомы, выпол­няющие трансляцию генетического кода в белок, при этом именно молекулы транспортных РНК вылавли­вают в цитоплазме аминокислоты и подносят их к ме­сту сборки.

5. И наконец, РНК в отличие от ДНК выступает в каче­стве катализатора химических процессов, разрушаю щих или синтезирующих другие химические соедине­ния, в том числе и саму РНК. РНК может вызывать собственное разрезание с последующим сшиванием

свободных концов, а также катализировать удлине­ние собственной цепи.

Открытие этих примечательных свойств РНК, сделан­ное Томасом Чеком (Thomas Cech) и Сидни Олтменом (Sidney Altman), изменило наше представление об истоках жизни. Теперь наиболее вероятным кажется то, что самым первым геном была молекула РНК, объединяющая в себе свойства репликации и катализа, — Слово, потребляющее вещества из окружающей среды для копирования самого себя. Возможно, если синтезировать случайным образом молекулы РНК прямо в пробирке, можно получить соеди­нение, которое по своим химическим свойствам будет со­ответствовать первоисточнику жизни. Примечательно, что молекулы РНК, отобранные в подобных эксперимен­тах, всегда были весьма похожи по своему содержанию на текст гена 5S РНК, который находится вблизи центромеры хромосомы 1.

В 1989 году за открытие свойств РНК Томас Чек и Сидни Олтмен были награждены Нобелевской премией.

Намного раньше первого динозавра, первой рыбы, первого червя, первого растения, первого гриба и первой бактерии на Земле царил мир РНК. Это было, вероятно, около 4 млрд лет тому назад. Нам неизвестно, как выглядел этот РНК-овый организм. Мы можем только предполагать, какой была химическая активность данного соединения, обеспечивающая его самовоспроизведение. Неизвестно, был ли прародитель у этого организма. Но мы можем быть уверены, что он был, поскольку на это указывают свойства современных молекул РНК (Gesteland R. Е, Atkins J. Е (eds). 1993. The RNA world. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, New York).

У этого РНК-ового организма были большие проблемы. РНК— крайне нестабильная молекула, разрушающаяся в течение нескольких часов. Любое эволюционное усложне­ние такого организма было под вопросом, так как инфор- мании быстро терялась в силу стремительного накопления ошибок. Единственно возможным направлением эволюции было направление в сторону создания более устойчивой мо­лекулы ДНК с развитием системы считывания РНК с ДНК. Такой системой считывания могла быть проторибосома. Считывание информации должно было быть достаточно быстрым, так как РНК быстро разрушалась, но при этом аккуратным. Одновременное считывание трех нуклеотидов за один шаг, видимо, было компромиссом для достижения необходимой скорости и точности. Поиск нужного трипле­та облегчался в случае маркирования этих нуклеотидов, а в качестве маркеров, распознаваемых проторибосомами, использовались аминокислоты. Значительно позже у про- торибосомы появилась дополнительная ферментативная активность сшивания маркеров в новый полимер — белок. В результате триплет стал кодом, обеспечивающим транс­ляцию последовательности нуклеотидов в последователь­ность аминокислот. Образовался новый, более сложный ор­ганизм, в котором генетическая информация сохранялась в ДНК, метаболическая активность обеспечивалась белками, а РНК стала играть роль моста между ними.

Имя нашего общего предка — Лука (Luca — Last Universal Common Ancestor, последний вселенский общий предок). Как он выглядел и где жил? Предположительно, он выгля­дел как бактерия и жил в теплых лужах, возможно, в горя­чих источниках или морских заливах. В последнее время Луке стали отводить более мрачное место жительства, ког­да стало известно, что глубинные подземные и подводные камни обсеменены миллиардами литотрофных (живущих за счет преобразования химических соединений) бакте­рий. Тогда Луку поселили глубоко под землей, поближе к вулканической лаве, где его пищей были сера, железо, водород и углерод. Даже сейчас то, что мы понимаем под биосферой, — лишь вершина айсберга. По расчетам ученых девять десятых всего органического углерода сосредоточе­но глубоко под землей в виде термофильных бактерий, от­ветственных за образование природного газа (Gold Т. 1992. The deep, hot biosphere.Proceedings of the National Academy of Science of the USA 89: 6045-6049; Gold T. 1997. An unexplored habitat for life in the universe?American Scientist 85: 408-411).

Впрочем, сейчас довольно сложно представить, как выгля­дели первые формы жизни на Земле. У большинства совре­менных организмов гены передаются только от родителей к детям, но так было не всегда. Например, бактерии могут пе­редавать генетический материал друг другу от клетки к клет­ке. Вполне возможно, что ранее горизонтальный перенос генов был еще более распространенным явлением, вклю­чая целенаправленный поиск и захват нужных генов орга­низмами. В клетках древних организмов должно было быть много маленьких хромосом, по нескольку генов в каждой, которые легко можно было потерять или передать. Исходя из этой гипотезы, Карл Везе (Carl Woese) предложил рас­сматривать виды организмов как временные сообщества генов, нестабильные во времени. Гены, которые нашли свое прибежище в геноме человека, могли прийти к нам от разных видов. В таком случае бессмысленно искать един­ственного общего предка в далеком прошлом. Возможно, был не один Лука, а целое сообщество генетически разно­родных организмов, свободно обменивавшихся друг с дру­гом генами. Согласно Везе, жизнь уходит к своим истокам многочисленными корнями, а не одним генеалогическим стволом (Woese С. 1998. The universal ancestor. Proceedings of the National Academy of Science of the USA 95: 6854-6859).

Тот древний мир можно представить как коммуну, в ко­торой гены принадлежали всему сообществу организмов. Но, скорее, реальному положению вещей соответствует теория эгоистичных генов, согласно которой гены нахо­дились в состоянии жесткой конкуренции по отношению друг к другу и в организмах образовывали лишь временные союзы. С течением времени наиболее удачные сочетания генов закреплялись, и индивидуальный эгоизм генов за­менялся коллективным трудом. Впрочем, пока это только гипотезы.

Но даже если предков было много, мы можем продол­жить наши размышления о том, где они жили и как выгля­дели. Были ли они похожи на современные термофильные бактерии? Благодаря ряду работ трех исследователей из Новой Зеландии, опубликованных в 1998 году, становится понятным то, что наши представления о примитивности бактерий не совсем верны. Бактерии, с их простым строе­нием клетки без ядра и с одной циркулярной хромосомой, скорее всего, не лежат в основе генеалогического дерева жизни. Традиционно древо жизни связывают с термофиль­ными бактериями, которые и сейчас встречаются в тер­мальных источниках.

По-видимому, автор имеет в виду архебактерии — живые ископаемые, населяющие горячие источники и другие экс­тремальные места обитания, непригодные для иных форм жизни.

Возникновение многоклеточных организмов связывают с объединением древних бактерий в сложные ассоциации. Но были ли наши предки такими же экстремалами, тяготев­шими к извергающимся вулканам и горячим источникам? Давайте представим обратный ход эволюции. Первые ор­ганизмы не были похожи на бактерии и не жили в горя­чих источниках и глубоководных вулканических кратерах. Вероятно, они больше напоминали современных прото- зоа — простейших одноклеточных животных вроде амебы, с геномом, фрагментированным в маленькие линейные по­липлоидные (несколько одинаковых копий) хромосомы. Полиплоидия была важна для первых организмов, посколь­ку их системы репликации были несовершенны и допуска­ли ошибки при копировании ДНК. Именно из-за несовер­шенства и неустойчивости биохимических систем эти ор­ганизмы, скорее всего, предпочитали холодный климат, а не горячие источники. Многие ученые, как, например, Патрик Фортерр (Patrick Forterre), полагают, что бактерии появились на Земле намного позже и принципиально отли­чаются от тех первых организмов, которые изобрели фор­му жизни, основанную на взаимодействии белков и ДНК. Действительно, если первоисточником жизни была РНК, то в организмах бактерий разнообразие молекул РНК све­дено к минимуму, особенно у микроорганизмов, живущих в горячих источниках. Но зато именно в нашем организме можно найти многочисленные реликтовые формы РНК, унаследованные нами от Луки. Бактерии в этом плане го­раздо более «продвинуты».

По-видимому, автор имеет в виду архебактерии — живые ископаемые, населяющие горячие источники и другие экс­тремальные места обитания, непригодные для иных форм жизни.

Возникновение многоклеточных организмов связывают с объединением древних бактерий в сложные ассоциации. Но были ли наши предки такими же экстремалами, тяготев­шими к извергающимся вулканам и горячим источникам? Давайте представим обратный ход эволюции. Первые ор­ганизмы не были похожи на бактерии и не жили в горя­чих источниках и глубоководных вулканических кратерах. Вероятно, они больше напоминали современных прото- зоа — простейших одноклеточных животных вроде амебы, с геномом, фрагментированным в маленькие линейные по­липлоидные (несколько одинаковых копий) хромосомы. Полиплоидия была важна для первых организмов, посколь­ку их системы репликации были несовершенны и допуска­ли ошибки при копировании ДНК. Именно из-за несовер­шенства и неустойчивости биохимических систем эти ор­ганизмы, скорее всего, предпочитали холодный климат, а не горячие источники. Многие ученые, как, например, Патрик Фортерр (Patrick Forterre), полагают, что бактерии появились на Земле намного позже и принципиально отли­чаются от тех первых организмов, которые изобрели фор­му жизни, основанную на взаимодействии белков и ДНК. Действительно, если первоисточником жизни была РНК, то в организмах бактерий разнообразие молекул РНК све­дено к минимуму, особенно у микроорганизмов, живущих в горячих источниках. Но зато именно в нашем организме можно найти многочисленные реликтовые формы РНК, унаследованные нами от Луки. Бактерии в этом плане го­раздо более «продвинуты».

Реликтовые РНК, эти молекулярные ископаемые, широ­ко представлены у многоклеточных организмов. Многие из них являются мельчайшими молекулами, появляющи­мися в результате сплайсинга информационных РНК или существующими сами по себе, без определенных функций. Выделено много классов этих молекул: направляющие РНК, сброшенные РНК, короткие РНК ядра, короткие ядрышковые РНК и самовырезающиеся интроны. У бакте­рий ничего подобного нет. Гораздо проще предположить, что эти элементы были утрачены бактериями, чем то, что они были приобретены в ходе эволюции высшими организ­мами. (В биологии принято отдавать предпочтение более простым гипотезам, если нет явных свидетельств в пользу более сложной гипотезы. Этот подход называется принци­пом бритвы Оккама (Occam's razor).)

Принцип назван так по имени философа XIV века Уильяма

Оккама (William Occam, 1285-1349), впервые сформулировавшего его.

Бактерии избавились от многочисленных РНК, посколь­ку они крайне нестабильны и склонны к мутациям, особен­но в экстремальных условиях с высокими температурами и низкими значениями кислотности. Дальнейшая эволюция бактерий шла в направлении упрощения организма, спо­собствовавшего ускорению процессов репликации и раз­множения, что чрезвычайно важно для успешной конкурен­ции в эконишах их обитания. Но в клетках нашего организ­ма реликтовые РНК (остатки уже давно не используемых механизмов, замененных более совершенными) все еще сохранились как напоминание о прежних формах жизни. В отличие от бактерий в эволюции многоклеточных орга­низмов — грибов, растений и животных — тенденция к упро­щению никогда не была доминирующей. Напротив, преиму­щество получали более сложные формы, обеспечивающие физико-химическую стабильность (гомеостаз) клеток, что и дало возможность сохраниться реликтовым молекулам РНК (Poole А. М., Jeffares D. С., Penny D. 1998. The path from the RNA world.Journal ofMolecular Evolution 46: 1-17; Jeffares D. C., Poole A M., Penny D. 1998. Relics from the RNA world .Journal of Molecular Evolution 46: 18-36).

3a последние годы был достигнут значительный прогресс в изучении роли коротких молекул РНК, не кодирующих белки. Оказалось, что они играют чрезвычайно важную роль в регуляции биохимических процессов и экспрессии (считывания) генов. Поэтому их нельзя считать реликтами. Также оказалось неправдой то, что таких молекул РНК нет у бактерий. Их просто никто не искал, а когда стали искать, только в кишечной палочке нашли несколько сотен корот­ких регуляторных РНК (Hershberg R., Altuvia S., Margalit H. 2003. A survey of small RNA-encoding genes inEscherichia coli. Nucleic Acids Research 31:1813-1820).

Трехбуквенные слова генетического кода совершенно одинаковы у всех организмов. Так, CGA означает аргинин, a GCG — аланин у всех организмов: летучих мышей, жуков, водорослей и бактерий. Такой же код используется бакте­риями, ошибочно названными архебактериями, которые живут при температуре кипения воды в сернокислых вулка­нических источниках на дне Атлантического океана. Этот же код используют вирусы— мельчайшие бесклеточные живые организмы. Куда бы мы ни пошли в этом мире, ка­ких бы ни взяли животных или растения, жука или одно­клеточную амебу, все живое на планете использует один и тот же генетический код. Жизнь едина и говорит на одном языке. (Все же существует некоторое незначительное ва­рьирование кода — диалекты, присущие бактериям, много­клеточным и митохондриям.)

Теория о том, что архебактерии лежат в основе генеалоги­ческого дерева как современных эубактерий, так и много­клеточных, по-прежнему рассматривается как основная. Хотя, безусловно, это были не те архебактерии, которые сейчас живут в вулканических гейзерах. Обособленное положение архебактерий по отношению к другим орга­низмам также не вызывает сомнений.

2 Геном. Автобиография вида в 23 гл.

Все это означает, что появление жизни на Земле про­изошло лишь однажды, что может быть использовано ве­рующими как хороший аргумент в пользу божественного происхождения мира. Конечно, можно предположить, что жизнь зародилась не на Земле, а была занесена из космоса на инопланетном космическом корабле. Возможно также, что жизнь зарождалась многократно и было много альтер­нативных форм жизни, но в конкурентной борьбе выжили лишь Лука и его потомки. Но до раскрытия в 1960 году ге­нетического кода не было никаких прямых доказательств того, что мы и морская водоросль — родственники, у кото­рых был общий предок. Единство жизни на нашей плане­те — это теперь экспериментально доказанный факт. Эразм Дарвин был прав, когда говорил, что «одна и только одна из нитей жизни была первоисточником всех остальных форм живых организмов на Земле».

Обобщим то, что мы узнали о геноме из этой главы: -ф жизнь едина и произошла от общего предка; -Ф первые формы жизни были основаны на РНК; -ф и бактерии, и животные являются потомками древней формы жизни, которая существенно отличалась как от нас с вами, так и от современных бактерий. Скорее всего, это были крупные одноклеточные полиплоид­ные организмы с множеством линейных хромосом. Не найдено никаких окаменелостей первых форм жизни на Земле, существовавших 4 млрд лет тому назад. Сохранилась только огромная книга живой природы — ге­ном. Гены в каждой мельчайшей клетке вашего тела — это прямые потомки первых репликационных систем доисто­рических организмов, дошедшие до наших дней после бо­лее чем 10 млрд копирований и сохранившие в себе цифро­вые сообщения о первых днях жизни. Если в нашем геноме мы можем найти ответ на вопрос о том, как зарождалась жизнь, то как много нам может поведать геном о не столь отдаленных событиях нашей истории в последние сотни миллионов лет. В наших руках история человечества, запи­санная в цифровом формате и удобная для чтения с помо­щью компьютера.

В последние годы появились новые подтверждения того, что в основе первых форм жизни лежала РНК. Недавно была опубликована гипотеза, согласно которой первыми организмами с ДНК были вирусы, и именно в результа­те заражения этими вирусами первых организмов совер­шенно независимо друг от друга возникли три ветви жиз­ни: бактерии, архебактерии и эукариоты (Forterre Р. 2006. Three RNA cells for ribosomal lineages and three DNA viruses to replicate their genomes: a hypothesis for the origin of cell­ular domain. ЯЛ/А5103: 3669-3674).

Хромосома 2 Душа

В истории науки случалось, что ошибочное положение на долгие годы становилось прописной истиной только по­тому, что никто не удосужился его проверить. До 1955 года все ученые были твердо убеждены в том, что геном челове­ка состоит из 24 пар хромосом. Ошибка произошла в 1921 году, когда техасец Теофилус Пейнтер (Theophilus Painter) сделал препаративные срезы семенников двух афроамери- канцев и одного белого, кастрированных по решению суда за «слабоумие и антиобщественное поведение», зафикси­ровал срезы в химических препаратах и микроскопировал. Пейнтер долго пытался подсчитать скучившиеся хромосо­мы в сперматоцитах несчастных мужчин и наконец решил, что их 24. «Я пришел к убеждению, что это число верно», — скажет он позже. Интересно, но другие ученые затем по­вторяли подсчеты, используя разные методы, и тоже схо­дились во мнении, что хромосом 24.