Проблемы «Мира РНК» Несмотря на огромную популярность гипотезы «Мира РНК», накапливается все больше данных, указы-вающих на существование препятствий, которые делают эту гипотезу чрезвычайно маловероятной.
Ученые нашли новые доказательства РНК-мира
Согласно гипотезе РНК-мира, молекула РНК играла ключевую роль в молекулярных процессах и биохимических реакциях, которые привели к появлению жизни на Земле. Новости Российского национального комитета мирового нефтяного совета. рибозимов - в 1982-1983. Мир РНК — гипотетический этап возникновения жизни на Земле, когда как функцию хранения генетической информации, так и катализ химических реакций выполняли ансамбли молекул. С самого начала гипотеза «мира РНК» привлекала ученых изящным решением проблемы «курицы и яйца» (или «феникса и огня»), вынесенной в эпиграф этой статьи. Хотя гипотеза мира РНК восторжествовала, некоторые ученые были с ней не согласны.
Тайна появления жизни на Земле
| Ученые предположили новое объяснение возникновения жизни на Земле | Поэтому многие учёные придерживаются гипотезы "мира РНК", согласно которой РНК появилась на Земле раньше, чем ДНК. |
| Обнаружены новые доказательства РНК-мира – Новости | Сторонники гипотезы РНК-мира считают, что на начальном этапе зарождения жизни на нашей планете возникли автономные РНК-системы, которые катализировали «метаболические» реакции (например, синтеза новых рибонуклеотидов) и самовоспроизводились. |
| Гипотеза мира РНК | Поэтому многие учёные придерживаются гипотезы "мира РНК", согласно которой РНК появилась на Земле раньше, чем ДНК. |
Рибозим со свойствами РНК-полимеразы синтезировал функциональные молекулы РНК
Исследователи столкнулись с проблемой - как такая молекула могла появиться из предшественников, не обладающих каталитической активностью. Источник фото: Фото редакции Однако было установлено, что рибозим, способный расщеплять другие молекулы, может возникнуть спонтанно благодаря нескольким консервативным элементам. Чтобы понять, как эта функция сохранилась в процессе эволюции, исследователи разработали модель, имитирующую случайные разрывы в простых молекулах РНК. В результате образовывались короткие цепочки, которые действовали как затравки для синтеза более длинных молекул.
Елизавета Минина Один из авторов работы — президент и директор по науке Института Солка Джеральд Джойс, который много лет занимается эволюцией in vitro, в том числе моделированием мира РНК.
Согласно гипотезе мира РНК, на заре жизни за Земле молекулы РНК были как носителями наследственной информации, так и ферментами рибозимами. В такой системе молекула РНК со свойствами РНК-полимеразы могла бы синтезировать сама себя и другие необходимые молекулы, либо молекулы одного типа синтезировали молекулы второго, которые, в свою очередь, синтезировали молекулы первого типа см. Полимеразы происходили от РНК-лигазы класса I — рибозима, который получили в лаборатории Джека Шостака еще в 1995 году. В присутствии матрицы и праймера ферменты Джойса могли реплицировать РНК длиной более 100 нуклеотидов.
В работе 2020 года исследователи получили РНК-полимеразы класса I, способные синтезировать своего «предка» — РНК-лигазу класса I — в виде трех отдельных цепей, которые затем собирались в функциональный рибозим. На этом примере можно понять, как работает эволюция РНК in vitro. Один из этапов эволюции РНК-полимеразы класса I —рибозима, производящего рибозимы. Credit: PNAS, 2020.
Нужный для синтеза ген, представленный в виде двухцепочечной ДНК, служит матрицей для создания одноцепочечной РНК, точно повторяющей структуру этого гена и способной перенести инструкцию по сборке белка из ядра в цитоплазму клетки. В цитоплазме РНК «находит» рибосому — молекулярную «машину» для синтеза белка. Рибосома, «читая» нуклеотиды в РНК, подбирает для будущего белка аминокислоты согласно генетическому коду — почти каждому триплету то есть трем нуклеотидам соответствует какая-то аминокислота есть еще несколько стоп-кодонов, прерывающих синтез белка, и старт-кодон, с которого всё начинается. Так, нанизывая аминокислоту за аминокислотой, рибосома формирует белок.
И если раньше считалось, что РНК — это просто помощник, то за последние годы появилось много данных, опровергающих ее подчиненное положение. Вполне возможно, что РНК не серая мышь рядом со своей куда более известной сестрой, а серый кардинал за ее троном. Оказалось, что РНК не только играет роль посредника между ДНК и синтезом белка, но и обладает каталитической активностью, то есть может работать как фермент. Долгое время считалось, что ферментами могут быть исключительно белки, и открытие рибозимов — РНК-ферментов — перевернуло представления науки о функциях РНК.
Обнаружили каталитическую активность практически случайно. Зачем в ферментах РНК? Белок и нуклеиновую кислоту «разделили» и… неожиданно отметили, что и лишенная белка РНК справлялась со своей каталитической функцией. Сначала биохимики подумали, что это ошибка, артефакт, оставшийся или занесенный извне белок — но и искусственно созданная РНК с той же последовательностью работала как фермент.
Стало понятно, что ферментативная активность больше не прерогатива белков. Дальше — больше. Помимо каталитической активности удалось обнаружить еще одно свойство — это регулирование экспрессии генов, то есть степени их проявления. Даже сейчас известны тысячи различных РНК, участвующие в подавлении активности гена на всех стадиях его проявления, от считывания ДНК до непосредственного белкового синтеза.
Причем оказалось, что интерферирующая РНК может быть даже… двухцепочечной. Простыми словами интерференцию можно объяснить так: маленькие молекулы РНК комплементарны тем генам, которые нужно заглушить или каким-то другим образом повлиять на их активность, и благодаря таким РНК-«ориентировкам» ферменты-киллеры могут найти уже синтезированную матричную РНК, то есть копию гена, по которой будет работать рибосома, и уничтожить ее. На самом деле механизм, конечно, сложнее, но смысл один — регуляция работы ДНК. Особенно часто такие РНК проявляют себя в различных процессах, направленных на защиту организма, — они устраняют опасность, уничтожая нуклеиновые кислоты патогенов.
Причем этот механизм достаточно древний — он есть у растений и даже, судя по всему, у одноклеточных, по крайней мере микроРНК у некоторых из них уже обнаружили. Итак, мы знаем, что РНК сама по себе крайне загадочна — она может и хранить информацию, и катализировать реакции, и буквально держать саму ДНК на поводке. Но как, если вокруг нет ничего, хотя бы отдаленно напоминающего нуклеиновые кислоты? Идея о том, что РНК может просто так взять и появиться буквально из ниоткуда, казалась смехотворной — однако была доказана лабораторно.
Для этого группа ученых под руководством Джона Сазерленда взяла не самые приятные вещи — сероводород и цианистый калий. Немного подержав их под ультрафиолетом, они получили… протонуклеотиды , маленькие кирпичики для создания нуклеиновых кислот. Более того, Сазерленд обнаружил возможность «самозарождения» некоторых аминокислот Пастеру бы этот вывод вряд ли понравился.
Накопление случайных мутаций привело к появлению РНК, катализирующих синтез определённых белков, являющихся более эффективным катализатором, в связи с чем эти мутации закреплялись в ходе естественного отбора. С другой стороны возникли специализированные хранилища генетической информации — ДНК. РНК сохранилась между ними как посредник.
В 2009 году группе учёных из университета Манчестера под руководством Джона Сазерленда удалось продемонстрировать возможность синтеза уридина и цитидина с высокой эффективностью и степенью закрепления результата реакции а также с возможностью накопления конечных продуктов в условиях ранней Земли. В то же время, хотя абиогенный синтез пуриновых оснований продемонстрирован достаточно давно в частности, аденин является пентамером синильной кислоты , их гликозилирование свободной рибозой аденозина и гуанозина пока показано лишь в малоэффективном варианте. Сначала темп синтеза был замедлен ядом, но примерно после девяти «пробирочных поколений» эволюции в процессе естественного отбора вывелась новая порода РНК, стойкая к яду. Путём последовательного удвоения доз яда была выведена порода РНК, стойкая к очень высоким его концентрациям. Всего в эксперименте сменилось 100 пробирочных поколений и намного больше поколений РНК, так как поколения сменялись и внутри каждой пробирки. Хотя в этом эксперименте РНК-репликаза добавлялась в раствор самими экспериментаторами, Оргел обнаружил, что РНК способны и к спонтанному самокопированию, без добавления фермента, правда, намного медленнее.
Дополнительный эксперимент был позже проведён в лаборатории немецкой школы Манфреда Ейгена. Она была создана постепенно нарастающей эволюцией. После открытия каталитической активности РНК рибозимов их эволюция в автоматизированном устройстве под управлением компьютера наблюдалась в экспериментах Брайана Пегеля и Джеральда Джойса из Исследовательского института имени Скриппса в Калифорнии в 2008 году. Фактором, играющим роль давления отбора, являлась ограниченность субстрата, куда входили олигонуклеотиды, которые рибозим распознавал и присоединял к себе, и нуклеотиды для синтеза РНК и ДНК. При построении копий иногда случались дефекты — мутации — влияющие на их каталитическую активность для ускорения процесса несколько раз смесь подвергалась мутированию с помощью полимеразной цепной реакции с использованием "неточных" полимераз. По этому признаку и происходил отбор молекул: наиболее быстро копирующиеся молекулы быстро начинали доминировать в среде.
Моделирование происхождения жизни: Новые доказательства существования "мира РНК"
Концепцию мира РНК впервые сформулировал в 1962 году Александр Рич (Alexander Rich), термин ввел в 1986 году Уолтер Гилберт (Walter Gilbert). В рамках своего проекта ученые поставили под сомнение достоверность гипотезы РНК-мира. Ученые Брукхейвенской национальной лаборатории обнаружили новые доказательства гипотезы РНК-мира.
РНК у истоков жизни?
Это открытие представляет важный шаг в понимании того, как жизнь могла зародиться из примитивных химических систем на ранних этапах существования Земли и как она эволюционировала к более сложным формам, включающим каталитическую активность. Комментарии закрыты.
Подробнее о том, как баланс этих пигментов влияет на окрас кошек — в материале «Раскрашиваем котика». Меланин синтезируют клетки меланоциты в луковице волоса. Меланоциты упаковывают пигмент в меланосомы — пузырьки внутри клетки. Затем пузырьки с пигментом переносятся по длинным ветвящимся отросткам меланоцита в эпителиальные клетки. Пока наверняка неизвестно, как именно меланосомы попадают в клетки волоса, но, скорее всего, меланоциты выделяют пузырьки с пигментом во внешнюю среду, а эпителиальные клетки их «заглатывают». Если же меланоциты начинают плохо работать, меланосом с пигментом в волосе становится совсем мало, их место занимают пузырьки без пигмента, и волосы становятся седыми. Считается, что изменение цвета волос жестко синхронизировано с фазами роста волоса. Каждый волосяной фолликул раз в несколько лет проходит через три этапа: Анаген — фаза роста.
На этой стадии клетки в луковице волоса — кератиноциты и меланоциты — способны делиться. В каждый момент времени около 90 процентов волос находится в фазе роста. В среднем анаген длится от двух до пяти лет, но может длиться меньше, если вы нервничаете, плохо питаетесь или состарились. Катаген — фаза, в которую волосяная луковица отсоединяется от кровеносных сосудов и нервов. Она значительно короче анагена и длится от трех до шести недель. В катаген предшественники кератиноцитов и меланоцитов отмирают и перестают делиться. Телоген — фаза покоя. Через несколько месяцев после утраты кровяного снабжения оголодавший волос выпадет. В течение примерно недели фолликул пустует, а затем там постепенно начинают делиться стволовые клетки и зарождается новый волос. Начинается новый анаген.
В ранней фазе роста в нижней части волосяного фолликула возникают две популяции стволовых клеток. Первая популяция — это зародыш волоса. Другая популяция мигрирует из области выпуклости bulge, область между мышцей, поднимающей волос, и сальной железой. Эти стволовые клетки спускаются к основанию новой волосяной луковицы, и превращаются в зрелые меланоциты, которые займутся окрашиванием нового волоса пигментом. Считается, что если в фазе покоя предшественники меланоцитов успели сползти к волосяной луковице и волос уже начал расти каштановым, рыжим или черным, после этого ничто не заставит его поседеть. Количество меланоцитов и их способность накачивать волос цветом остаются практически неизменными весь цикл роста, а поседеть может уже фактически новый волос в новую волну миграции стволовых клеток. Поскольку с возрастом пул стволовых клеток истощается, в зародыш волоса попадает меньше предшественников пигментных клеток, они меньше пачкают эпителиальные клетки, и новый волос растет седым. Как правило, однажды побелев, волос уже не вернет себе цвет. Однако некоторые данные показывают, что процесс поседения все же чуть более гибкий: в исключительных случаях волос может начать седеть посреди фазы роста, какое-то время расти седым, а потом возвращать себе цвет. Так или иначе, волосы у Лиланда Палмера не могли поседеть за ночь.
Седина не может появляться быстрее, чем растет волос. Согласно классической гипотезе появления седины, за ночь Лиланду пришлось бы синхронизировать фазы роста волос по всей голове до фазы покоя, облысеть и отрастить густую шевелюру новых седых волос. То есть ужать цикл выпадения и роста волоса с нескольких лет до одной ночи. При всей спорости безумных танцев, Лиланду за ночь такое не успеть. Более гибкий сценарий появления седины тоже не оставляет шансов: мы бы наблюдали постепенное отрастание седых волос, примерно по сантиметру в месяц, а не внезапные ночные метаморфозы. Мгновенное появление седины у мистера Палмера на экране и у сверженной королевы Франции в исторической легенде — абсурдное преувеличение. Но у любого абсурда есть причины, и поседеть быстрее обычного они действительно могли. Возможных причин — несколько. Вы лысеете Первый задокументированный случай внезапного побеления волос зафиксирован в Талмуде и датируется 83 годом нашей эры. Это история про раввина Элазара бен Азария, которого избрали председателем Синедриона, высшего суда в земле Израиля, в юном-преюном возрасте 18 лет.
Жена юноши была обеспокоена, что тот выглядит слишком молодо для своей должности. К счастью, в тот же день у раввина появилось 18 рядов седых волос.
Получается, что РНК — это курица и яйцо одновременно. Дополнительным аргументом в пользу гипотезы существования древнего мира РНК стало обнаружение в 2019 году рибозы — сахара, входящего в состав РНК — в метеорите. Изотопный анализ показал внеземное происхождение этой рибозы.
В результате возникали короткие цепочки РНК, которые действовали как праймеры — затравки для синтеза более длинных цепей РНК. Этот неферментативный механизм приводил к образованию большого количества копий разрушенного полимера, подобно тому, как регенерируют черви, разрезанные на сегменты. Во второй модели способные к спонтанному образованию рибозимы, катализирующие расщепление, были добавлены к пулу полимерных РНК-цепочек, которых они разрезали при столкновении. Полимерные цепочки способны спариваться определенным образом.
Если одна из цепочек обладает петлей шпилькой , то возможно образование молекулы РНК, которая действует как рибозим типа hammerhead, способный осуществлять собственное расщепление.
Гипотеза РНК-мира для ЕГЭ по биологии
Схема транс-трансляции Цитировано по Зверевой М. В 1996 г. Кейлер предложил в качестве механизма функционирования тмРНК модель транс-трансляции биосинтез полипептидной цепи белка с использованием различных матричных последовательностей. Она предлагает механизм синтеза дополнительного пептида, основанный на наблюдении, что добавление нового пептида происходит в случае трансляции мРНК, в которой отсутствует стоп-кодон. Остановившаяся пептидная цепь переносится на аланил-тмРНК реакция транспептидирования , и рибосома продолжает синтез по матричной части тмРНК.
Синтез продолжается до поступления в А-центр стоп-кодона тмРНК, после чего вступает в действие фактор терминации и трансляция завершается. В результате гибридный белок, состоящий из пептидов, соединенных аланином из тмРНК, уходит из рибосомы, а освободившаяся рибосома может участвовать в синтезе другого белка. Особенность такой транс-трансляционной системы состоит в том, что одна пептидная цепь синтезируется с двух различных молекул мРНК. Необходимо отметить, что способ установления рамки считывания ОРС матричной части тмРНК отличен от всех известных способов установления рамки считывания.
Первая включаемая аминокислота не определена обычным кодон-антикодоновым взаимодействием, а аденозиновый остаток, отстоящий на 3 н. Это предположение требует дальнейшего экспериментального подтверждения. С помощью тмРНК клетка решает две задачи: с одной стороны, освобождаются остановившиеся рибосомы, а с другой, неправильные белки быстро расщепляются специфической протеазой, узнающей сигнальный пептид, кодируемый матричной частью тмРНК. Это связано с открытием процесса транс-трансляции, а именно с возможностью синтеза одного белка на основе двух различных мРНК.
Кроме того, отсутствие тмРНК у высших организмов указывает на возможность ее использования в качестве хорошей мишени при создании новых антибактериальных средств. Функция тмРНК особенно важна для жизнедеятельности бактерий при повышенных температурах. Известно, что многие бактериальные инфекции сопровождаются повышением температуры, поэтому создание препарата, блокирующего функцию тмРНК, приведет к гибели бактерий и не повлияет на биосинтез белков человека. Регуляция экспрессии эукариотических генов может осуществляться на нескольких уровнях: во время транскрипции, на стадии процессинга РНК, при трансляции и на уровне созревания белка.
В последнее время в связи с открытием явления интерференции РНК большое внимание ученых привлекает посттранскрипционный уровень регуляции. Интерференция РНК - высокоспецифичный механизм подавления экспрессии гена на посттранскрипционном уровне за счет деградации считанной с него мРНК. Малые РНК могут регулировать экспрессию генов не только посредством интерференции, но также подавляя трансляцию, транскрипцию или способствуя удалению гена-мишени из клеточного генома. Последнее наблюдается у некоторых простейших в процессе созревания макронуклеуса.
Феномен интерференции РНК обнаружен у различных эукариотических организмов, в частности, у одноклеточных, низших грибов, растений, нематод, насекомых, а также у позвоночных, включая мышей и человека. Подобная высокая консервативность механизма интерференции РНК свидетельствует о его большой значимости. И хотя функции некоторых видов малых РНК до сих пор не установлены, предполагают, что основная их роль - защита генома клетки от внедрения мобильных генетических элементов вирусов, транспозонов , а также участие в регуляции дифференцировки многоклеточных организмов. Малые РНК представляют значительный интерес для фундаментальной молекулярной биологии и таких прикладных ее областей, как биомедицина и биотехнология.
Одним из наиболее эффективных способов изучения функции гена является анализ фенотипа организмов, у которых этот ген не экспрессируется. Существует ряд методов, позволяющих подавлять экспрессию определенных генов, в том числе, использование антисмысловых олигонуклеотидов, рибозимов, химических блокаторов, а также разрушение нужного гена во всем организме путем внесения соответствующих мутаций в зиготу. Однако эти методики либо сложны, либо не всегда эффективны и не обеспечивают полного сайленсинга гена то есть подавления экспрессии в экспериментальных моделях млекопитающих. В отличие от перечисленных методик, технологии, основанные на явлении интерференции РНК деградация мРНК при введении в клетку соответствующих им 81РНК или экспрессирующих их конструкций , просты в исполнении, эффективны и обладают большой специфичностью распознавания молекулы-мишени.
Биохимически и функционально это молекулы практически неразличимы, и принцип их подразделения основан на природе предшественников. По происхождению малые РНК можно разделить на экзогенные индуцируемые или кодируемые вирусами, либо введенные искусственно и эндогенные образующиеся при транскрипции собственных генов клетки. Сигналом для инициации интерференции РНК служит появление в клетке экзогенной вирусной или введенной в ходе эксперимента либо эндогенной транскрибированной с собственных генов клетки дцРНК. Минимальный размер дцРНК, достаточный для индукции интерференции, - 26 п.
Скорее всего, такое ограничение защищает от деградации собственную клеточную мРНК с короткими внутримолекулярными самокомплементарными структурами. Предполагают, что расщепление дцРНК у млекопитающих осуществляется последовательно с одного конца молекулы. В результате работы Dicerобразуются двухцепочечные siРНК длиной 20-25 п. Именно такая структура необходима для участия в последующих этапах процесса, приводящего к сайленсингу РНК.
Следующие стадии интерференции - распознавание и фрагментация РНК-мишени. Очевидно, именно домен PIWI обусловливает эндонуклеазную активность всего комплекса. У растений и червей может происходить амплификация siРНК. У этих организмов интерференции РНК имеет системный эффект, как следствие передачи сигнала из клетки в клетку или его доставки во все ткани организма.
Такое явление называется системной супрессией. Передача дцРНК или siРНК у растений может происходить по цитоплазматическим мостикам из клетки в клетку или по системе сосудов. Эта реакция протекает с использованием энергии АТР. Такой модифицированный комплекс функционально активен.
У растений и нематод существует механизм амплификации siРНК. Механизм интерференции РНК I. В стрессовые гранулы при стрессе включается не вся клеточная мРНК: часть ее продолжает сохранять диффузное распределение в цитоплазме. По-видимому, для инкорпорации мРНК в стрессовые гранулы не нужны какие-либо специфические сигнальные последовательности, поскольку репортерная мРНК, не несущая известных сигнальных последовательностей, включается в состав стрессовых гранул.
Скорее всего, специфические сигнальные последовательности нужны для исключения РНК из стрессовых гранул. Возможно, что из стрессовых гранул выводятся как раз те РНК, трансляция которых необходима при стрессе. В составе стрессовых гранул выявлены различные РНК-связывающие белки, связывающие как большинство цитоплазматических мРНК, так и специфические последовательности в определенных мРНК. Белок Staufen, входящий в состав транспортирующихся мРНП, входит и в состав стрессовых гранул в олигодендроцитах, вероятно, как «неспецифический» РНК-связывающий белок.
Структурная основа стрессовых гранул не изучена, но весьма вероятно, что она состоит из прионоподобного конгломерата РНК-связывающего белка ТIА-1, обычно локализованного в ядре. Одной из первых адаптивных реакций при стрессовых воздействиях на эукариотическую клетку является изменение в системе трансляции. С одной стороны, происходит общее падение уровня синтеза белка в клетке, а с другой — активация трансляции некоторых видов мРНК. Образование стрессовых гранул происходит одновременно с общим снижением синтеза белка.
В настоящий момент принято считать, что именно ингибирование синтеза белка на стадии инициации трансляции вызывает появление стрессовых гранул в цитоплазме. В случае окислительного стресса, вызванного арсенатом, образование стрессовых гранул зависит от ингибирования инициации трансляции за счет фосфорилирования фактора еIF2. В такой ситуации формируются неканонические инициаторные комплексы, которые не могут перейти к элонгации трансляции. Каков бы ни был механизм, запускающий образование стрессовых гранул, при стрессорном воздействии первоначально диффузное распределение мРНП сменяется на локализацию в отдельных точках цитоплазмы — стрессовых гранулах.
Для подобного изменения локализации необходимы значительные перемещения индивидуальных мРНП. При этом необходимо отметить, что размер мРНП достаточно велик и свободная диффузия частиц подобного размера в цитоплазме ограничена. Преодоление ограничения диффузии в клетке происходит за счет активного транспорта по цитоскелету — микротрубочкам или актиновым филаментам. Разрушение актиновых филаментов не ингибирует образование стрессовых гранул, в отличие от нарушения системы микротрубочек.
Вызванная действием фармакологических агентов деполимеризация микротрубочек в клетке подавляет образование стрессовых гранул. Восстановление микротрубочек на фоне окислительного стресса вызывает возникновение в такой клетке стрессовых гранул. Скорее всего, роль микротрубочек в формировании стрессовых гранул заключается в активном транспорте мРНП. Стрессовые гранулы способны перемещаться по клетке, и их движение подавляется при разрушении микротрубочек.
Компоненты стрессовых гранул обмениваются с цитоплазмой, и этот обмен также значительно замедляется после разборки микротрубочек.
В новой работе Джойс и соавторы получили РНК-полимеразы, способные синтезировать целую молекулу РНК-лигазы с достаточно низким уровнем ошибок. Стратегия эволюции, которая использовалась в эксперименте, аналогична вышеописанной. В этот раз РНК-полимераза синтезировала на матрице РНК-лигазу, а затем подвергалась обратной транскрипции, причем оставалась связанной со своим продуктом. Если РНК-лигаза, которую синтезировал данный вариант РНК-полимеразы, была функциональна, то она сшивала разрыв, и вся конструкция могла быть выделена с помощью бусин со стрептавидином.
К сожалению, мы не можем показать эту иллюстрацию, так как статья закрытая. В итоге удалось получить рибозимы, обладающие необходимой — беспрецедентно высокой, подчеркивают авторы — точностью. Лучше всего показал себя рибозим, отличающийся от ранее полученного варианта десятью точечными мутациями и обозначенный 71-89 для его получения потребовался в общей сложности 71 раунд эволюции. Затем авторы сравнили новую высокоточную РНК-полимеразу и РНК-полимеразу с низкой точностью по способности синтезировать hammerhead и проводить раунды его эволюции. Процесс был организован так же, как в эксперименте 2020 года: о качестве полимеризации говорила способность готовой РНК-структуры к саморасщеплению, соответственно, успешные молекулы hammerhead «проходили в следующий тур» и становились матрицами для синтеза новых копий.
Чтобы понять, как эта функция сохранилась в процессе эволюции, исследователи разработали модель, имитирующую случайные разрывы в простых молекулах РНК. В результате образовывались короткие цепочки, которые действовали как затравки для синтеза более длинных молекул. Этот механизм приводил к образованию большого количества копий разрушенного полимера. Во второй модели к пулу РНК-цепочек, способных к спонтанному образованию рибозим, были добавлены ферменты, катализировавшие расщепление.
Решена главная проблема появления жизни на Земле 23 января 2020 21:00 0 Ученые Гарвардского университета предложили новую модель появления первых РНК — молекул, необходимых для существования живых организмов. Это позволяет решить главную проблему возникновения жизни на Земле, согласно которой должны были существовать какие-то предшественники нуклеиновых кислот. Об этом сообщается в пресс-релизе на Phys.
Получено экспериментальное подтверждение гипотезы РНК-мира
| Эффективный полимеразный рибозим подкрепил гипотезу мира РНК | Результаты исследования, которое фактически доказывает гипотезу существования РНК-мира, опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). |
| Получено экспериментальное подтверждение гипотезы РНК-мира | В ходе исследование специалисты усомнились в достоверности гипотезы РНК-мира, предполагающей то, что первыми способными к размножению структурами были РНК-молекулы. |
| РНК у истоков жизни? | Обнаружены доказательства гипотезы РНК-мира, технологии, новости экономики, Банки, банк, кредит, проценты, ставки, финансы, курсы валют, деловые новости. |
| Исследования по гипотезе РНК-мира: возникновение саморепликации – | Ученые из Университета Иллинойса представили новые доказательства в поддержку гипотезы РНК-мира, которая является важной теорией о происхождении жизни на Земле. |
Ученые нашли новые доказательства РНК-мира
Однако было показано, что применение мощного ингибитора РНКаз - диэтилпирокарбоната во время выделения РНК с последующей усиленной депротеинизацией полученных препаратов и использование растворов, реактивов и посуды, обработанной диэтилпирокарбонатом и протеиназой К, не приводит к полному предотвращению деградации РНК. Известно, что если все работы проводить с очищенным препаратом РНК при температуре 0-4оС, то указанной деградации не наблюдается. В 90-е годы ХХ века было показано тождество закономерностей Mg-зависимого распада мРНК в живой клетке in vivo и в водных растворах in vitro [15, 16, 41]. На протяжении последних сорока лет многие исследователи отмечали способность выделенной из клетки РНК разрушаться в присутствии катионов металлов [15].
Но от внимания исследователей ускользал тот факт, что разрушение происходит по тем же законам, что и в живой клетке, отражая генетические особенности и физиологическое состояние организма. В фундаментальных науках всегда имел значение объект исследования. Удачность выбора объекта или случай определяет скорость и эффективность исследований, обширность и глубину полученной информации.
Как показали исследования, норма реакции на закаливающие температуры у сорта Безостая 1 на молекулярном уровне относительно узка по всем компонентам белоксинтезирующей системы - от амплитуды изменения трансляционной активности полирибосом, длины поли- А -хвоста мРНК, стабильности мРНК до амплитуды колебаний электрофоретического спектра рРНК [16, 23]. Это происходит на фоне относительно высокого содержания катионов магния в зерне Безостой 1 и соответствует реальному районированию сортов: высоко морозоустойчивый сорт Краснодарская 39 относительно низкое содержание магния в зерне способен давать урожай вплоть до Самарской области, в то время как средне морозоустойчивый сорт Безостая 1 давал и даёт великолепные урожаи, но в относительно узкой южной полосе. Особенности сорта Безостая 1 образно можно представить как глухонемого человека в группе пахарей.
Товарищи отвлекаются на различные развлекательные и опасные аспекты жизни, а глухонемой пашет и пашет. Поэтому в конечном итоге выясняется, что он вспахал больше всех. Но это только при условии относительно благоприятных обстоятельств.
Этот вывод позволяет объективно понять природу феномена сорта Безостая 1 и, отталкиваясь от этих знаний, заложить основу понимания сакральных молекулярно-биологических процессов, лежащих в основе селекции и определяющих её будущие успехи. Таким образом, Безостая 1 фактом своего существования великолепно подтверждает вывод, сделанный Н. Вавиловым в 30-ых годах ХХ века: «Генотип должен превалировать над средой».
Фундаментальные исследования молекулярной биологии РНК сорта Безостая 1 привели к прикладным исследованиям, способствовали формированию элементов молекулярных основ теории морозоустойчивости и возможности разработки простых методов оценки морозоустойчивости сортов озимой мягкой пшеницы по содержанию нуклеиновых кислот и катионов магния в зрелом зерне [9, 10, 20, 21]. Это событие в методологии способствовало созданию фундамента для развития новой главы в молекулярной физиологии сельскохозяйственных растений, так как новые шаги в методологии, как правило, ведут за собой длинную цепь новых фактов, которые дополняют и изменяют научное мировоззрение, предоставляют принципиально новые возможности для практики. Молекулярные маркеры ДНК-овые, белковые являются чрезвычайно эффективным инструментом генетических исследований растений.
Однако их статичность не позволяет количественно оценить важнейшие свойства культурных злаков например, стрессоустойчивость и фотопериодизм. Как познание электричества и развитие электротехники стало возможным только с появлением электродинамики на основе электростатики, так и статичные молекулярные маркеры должны быть существенно дополнены молекулярно-кинетическими маркерами, способными количественно оценить экспрессию основных регуляторных генов или дать интегральную характеристику всех экспрессирующихся генов определенного генотипа в конкретных условиях роста. С практической точки зрения очень важным представляется использование этого показателя количество катионов магния для долгоживущей высокополимерной РНК зрелого зерна пшеницы в целях оценки степени морозостойкости сорта: чем выше содержание катионов магния, тем ниже морозостойкость сорта [11, 12, 21].
РНК-интерференция В настоящее время многие проблемы практики решаются путём активного вмешательства в метаболизм живых организмов при помощи методов генной инженерии на основе явления РНК-интерференции, регулирующего экспрессию генов через усиление распада мРНК определённых генов [8, 16, 17, 18, 25]. Сейчас очевидно, что перестало быть проблемой установление первичной структуры гена, но всё ещё остаётся проблема, как узнать его функцию и как ею управлять. Первое десятилетие ХХ1 века ознаменовано стремительным прорывом в важнейшую биологическую проблему -регуляцию экспрессии генов с помощью явления РНК-интерференции и основанных на этом явлении методов "нокаутов" - техники, позволяющей выводить из строя экспрессию заранее выбранного гена, а затем смотреть, как это скажется на организме.
В 1998 году была обнаружена способность молекул двухцепочечных РНК дцРНК , инъецированных в организм нематоды Caenorhabditis elegans, эффективно подавлять экспрессию гомологичных по нуклеотидной последовательности генов явление РНК-интерференции. Впоследствии те же эффекты дцРНК были отмечены у других животных, а также у растений, грибов и простейших. В 2006 году Нобелевская премия в области биологии по физиологии и медицине присуждена американским учёным Эндрю Файру и Крейгу Меллоу за открытие явления РНК - интерференции, представляющей собой молекулярный механизм, контролирующий в живой клетке поток генетической информации через закономерный распад специфических мРНК и предоставляющий принципиально новые возможности регуляции экспрессии генов в практических целях [39-40].
Суть явления, механизм которого пока изучен очень слабо, состоит в том, что короткие 20-30 нуклеотидов двуспиральные РНК определённой структуры вызывают распад мРНК мишени - гена, экспрессию которого необходимо подавить. Это широко распространённое в природе явление по-видимому, от бактерий до млекопитающих может эффективно использоваться для идентификации новых генов, выяснения их функциональной роли и управления их экспрессией in vitro и in vivo[8, 16, 25]. Исследования этого явления позволяют в настоящее время решать проблемы медицины новый класс лекарств и сельского хозяйства новые пути создания зерна злаков с высокими питательными свойствами.
Работы по созданию высоколизиновых злаков на основе ряда мутаций, зерно которых отличалось повышенной питательной ценностью, потерпели неудачу. Это объясняется плейотропным действием мутаций типа мутации регуляторного гена opaque-2 в зерне кукурузы, когда дифференциальный распад мРНК под действием повышенной активности РНКаз приводит с одной стороны к положительным эффектам повышенное содержание в зерне незаменимой аминокислоты - лизина , но с другой стороны к отрицательным эффектам - нарушение синтеза крахмала, определяющего физические свойства зерна прочность и урожай [16, 25]. РНК-интерференция позволяет целенаправленно уничтожать мРНК, белки которых снижают содержание лизина в зерне запасные белки, ферменты катаболизма аминокислот , не «задевая» при этом мРНК ферментов, ответственных за синтез крахмала.
Такой первый трансгенный сорт кукурузы ЬУБ38 с повышенным содержанием лизина был выведен на рынок в 2005 году [33]. Однако негативное общественное мнение, озабоченность возможным вредным влиянием генно-модифицированных продуктов на здоровье человека сдерживает развитие этого направления выхода в практику. К тому же оказалось, что РНК-препараты слишком токсичны.
Даже длины в 20-30 нуклеотидов недостаточно для полной селективности по отношению к целевой РНК, и среди миллиардов пар нуклеотидов в геноме обязательно найдутся другие мишени, связывание с которыми вызывает неприятные побочные эффекты. Так в медицине те немногие препараты на основе РНК-интерференции, что дошли до рынка, были с него отозваны. Возможно, в будущем проблемы с неспецифичным связыванием РНК и недостаточной адресной доставкой будут решены и мы увидим больше модифицированных растений и животных, а также специфических препаратов на основе РНК-интерференции.
Принципиально новые, удивительные факты были получены китайскими исследователями из Нанкинского университета, которые обследовали 50 добровольцев и обнаружили в их крови и тканях микроРНК РНК-интерференции растительного происхождения. Это и само по себе стало изрядной неожиданностью, поскольку до сих пор считалось, что все растительные ДНК и РНК, попадающие в организм человека с пищей, полностью разлагаются, разрушаются в процессе переваривания. Но еще большее удивление вызвал тот факт, что эти растительные микроРНК участвуют в регуляции метаболизма человека наравне с его собственными микроРНК.
Это открытие заставляет совершенно по-новому взглянуть на роль питания в жизни человека: существует шесть классов питательных веществ - белки, жиры, углеводы, витамины, минеральные вещества и вода. Однако теперь выясняется, что еще и растительные микроРНК, судя по всему, оказывают на активность наших генов, а значит, и на наш обмен веществ, самое непосредственное воздействие. Это дает основание считать их седьмым классом питательных веществ.
Весьма обильно эти молекулы присутствуют в рисе. Опыты на трансгенных мышах показали, что в организме человека MIR168a блокирует синтез чрезвычайно важного белка - так называемого клеточного рецептора липопротеинов низкой плотности. Этот белок самым непосредственным образом связан с транспортировкой холестерина и его расщеплением в печени.
Таким образом, потребление риса в пищу не только обеспечивает организм человека пластическими веществами и энергией, но и регулирует активность одного из важных генов, влияя тем самым на обмен веществ и на здоровье человека. Ведь повышенный уровень содержания в крови липопротеинов низкой плотности увеличивает риск атеросклероза [43]. Как растительные микроРНК умудряются уцелеть в пищеварительном тракте человека и проникнуть оттуда в кровь, пока неясно.
Возможно, что эти растительные микроРНК могут захватываться клетками эндотелия сосудов кишечной стенки. При этом мембраны эндотелиальных клеток формируют особые внеклеточные структуры, в которые, как в оболочку, заключаются микроРНК. В таких миниатюрных пузырьках, называемых экзосомами, микроРНК поступают в кровоток.
Это открытие позволяет по-новому объяснить лечебные свойства лекарственных трав, широко применяемых в традиционной китайской медицине. Собственно, идея использовать микроРНК в качестве биологически активного компонента лекарств обсуждается в фармацевтике уже давно. Но до сих пор все эксперименты упирались в одну неразрешимую проблему: как доставить микроРНК точно и целенаправленно в нужное место в организме.
Исследования китайских учёных показали, что природа уже давно предусмотрительно создала такие пути и что функция пищи, очевидно, не сводится к одному лишь обеспечению организма пластическими веществами и энергией. В качестве центрального звена этого процесса биосинтеза белков выступает совокупность взаимодействующих друг с другом молекул РНК различных типов. Исследования магний-зависимого самораспада РНК в водных растворах позволяют говорить о развитии молекулярно-кинетических маркёров, позволяющих количественно оценивать эффект взаимодействия «генотип-среда» у растений и животных.
Изучение системы РНК-интерференции и её применения находится на самой ранней стадии, но этому открытию суждено сыграть в постгеномную эру такую же ключевую роль, какую открытие рестриктаз сыграло в эпоху возникновения генной инженерии и биотехнологии. Безусловно, трудностей на этом пути много. Но, ни одна не выглядит непреодолимой.
Литература 1 Алексеенко Ж. Кубанский агроуниверситет. Возникновение жизни, Мир, 1969, 391 с.
Вначале была РНК?
Стратегия эволюции, которая использовалась в эксперименте, аналогична вышеописанной. В этот раз РНК-полимераза синтезировала на матрице РНК-лигазу, а затем подвергалась обратной транскрипции, причем оставалась связанной со своим продуктом. Если РНК-лигаза, которую синтезировал данный вариант РНК-полимеразы, была функциональна, то она сшивала разрыв, и вся конструкция могла быть выделена с помощью бусин со стрептавидином. К сожалению, мы не можем показать эту иллюстрацию, так как статья закрытая. В итоге удалось получить рибозимы, обладающие необходимой — беспрецедентно высокой, подчеркивают авторы — точностью. Лучше всего показал себя рибозим, отличающийся от ранее полученного варианта десятью точечными мутациями и обозначенный 71-89 для его получения потребовался в общей сложности 71 раунд эволюции. Затем авторы сравнили новую высокоточную РНК-полимеразу и РНК-полимеразу с низкой точностью по способности синтезировать hammerhead и проводить раунды его эволюции.
Процесс был организован так же, как в эксперименте 2020 года: о качестве полимеризации говорила способность готовой РНК-структуры к саморасщеплению, соответственно, успешные молекулы hammerhead «проходили в следующий тур» и становились матрицами для синтеза новых копий. Полимераза с низкой точностью могла поддерживать каталитические свойства субстрата лишь в течение нескольких поколений.
Вторая модель предполагала добавление рибозимов, способных к спонтанному образованию и катализированию расщепления, к пулу полимерных РНК-цепочек, которые разрезались при столкновении. Этот процесс позволял созданию молекул РНК, действующих как рибозимы типа hammerhead, способных к саморасщеплению, и, таким образом, начиналось их самовоспроизводство. Репликация полимера осуществлялась за счет циклического изменения температуры между горячей и холодной фазами, что может указывать на то, что древние полимеры могли зависеть от таких циклов для своего размножения.
Неорганические поверхности, вроде камней, также могли способствовать этому процессу размножения.
Но как обстояло дело до появления клеток и ДНК? В 1968 году химик Лесли Орджел опубликовал статью, в которой описал возможность существования жизни на Земле исключительно в виде рибонуклеиновых кислот, которые были способны передавать информацию безо всяких белков. Впоследствии эту идеи развили другие ученые.
РНК у истоков жизни?
Альтернативная гипотеза называется гипотезой первичного майонеза и говорит о том, что липиды, то есть вещества, образующие мембраны, были с самого начала и окружали молекулы РНК. Но окончательно гипотеза мира РНК смогла сформироваться лишь после открытия в 1981 году рибосомальной РНК из ресничного простейшего Tetrahymena, которая способна к автосплайсингу. Ученые из Института биологических исследований Солка провели исследования, подтверждающие гипотезу о мире РНК. Эта работа подрывает так называемую «гипотезу мира РНК», которая утверждает, что РНК сформировала основу биосферы Земли задолго до того, как появились ДНК и другие молекулы, важные для жизни, хотя доказательств этого было недостаточно. Гипотеза РНК-мира — одна из самых популярных среди гипотез о происхождении жизни на Земле. Другой гипотезой абиогенного синтеза РНК, призванной решить проблему низкой оценочной вероятности синтеза РНК, является гипотеза мира полиароматических углеводородов.