Был ли на Земле мир РНК?

Для возникновения генетического кода на Земле должны были появиться сразу и белки, и нуклеиновые кислоты.

Как известно, в основе жизни лежит «содружество» нуклеиновой кислоты и белка. Нуклеиновые кислоты зашифровывают в себе генетическую информацию (то есть информацию о строении белков), а белки выполняют химические реакции, которые сами по себе идти не могут (в том числе и реакцию копирования нуклеиновой кислоты).

Иными словами, белок не может появиться без нуклеиновой кислоты, а нуклеиновая кислота – без белка. Но тогда возникает вопрос, как мог возникнуть генетический код. Все не могло вдруг собраться случайно и заработать: вероятность случайной сборки самой простой системы из белка и нуклеиновой кислоты исчезающе мала.

Когда говорят, что белки выполняет химические реакции, то имеют в виду, что они их катализирует, ускоряют. Белки-катализаторы называют ферментами, и их существует огромное количество (хотя ферменты – это все-таки не все белки). Такой успех на ферментативном поприще обусловлен общей структурой белковой молекулы: как мы знаем, любой белок представляет собой длинную цепочку из аминокислот, которые взаимодействуют друг с другом, так что цепочка начинает изгибаться и сворачиваться в довольно сложную трехмерную структуру.

Именно от трехмерной структуры зависит функция белка, и у каждого белка есть свой особенный 3D-портрет, так что структура миоглобина, который удерживает кислород в наших мышцах, заметно отличается от структуры пищеварительного фермента трипсина, расщепляющего другие белки на части. Более того, отдельные аминокислотные цепи могут взаимодействовать друг с другом (как, например, в случае с гемоглобином, который формируется четырьмя молекулами глобина), и функция тут зависит уже от того, как они взаимодействуют. В общем, белки можно приспособить для самых разных реакций.

А вот нуклеиновые кислоты не могут катализировать ничего – во всяком случае, раньше так казалось. Поэтому и возникала проблема, кто был на Земле раньше: белки не могли появиться без генетического кода и его носителей – ДНК и РНК, а нуклеиновые кислоты не могли появиться без белков.

Но потом оказалось, что среди РНК есть такие, которые могут катализировать реакцию сборки других РНК, и что такие каталитические РНК можно даже заставить копировать самих себя. И вскоре возникла гипотеза мира РНК, согласно которой РНК в начале эволюции живого обходились вообще без белка – одновременно и кодировали информацию, и сами размножались. Белки же появились позже как намного более эффективные катализаторы.

Но исследователи из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл и Оклендского университета утверждают, что гипотеза мира РНК на самом деле неверна, и что к ней просто слишком привыкли, чтобы обращать внимание на ее слабые места и на новые данные, которые говорят не в ее пользу. Авторы работы полагают, что ключевое событие в зарождении жизни – это не то, что нуклеиновые кислоты «научились» сами себя копировать, а то, что появился механизм, который поставил в соответствие определенным комбинациям в нуклеиновой кислоте определенные аминокислоты. Иными словами, самое важное в зарождении жизни – появление генетического кода, когда генетическая информация действительно стала информацией.

За все время существования гипотезы мира РНК никто так и не смог – даже приблизительно – смоделировать, как случайная самокопирующаяся система из нуклеиновых кислот могла стать в высшей степени неслучайной, и как в ней могли появиться те свойства, которые есть у системы из нуклеиновых кислот и белков. В то же время есть современные биохимические и биоинформатические исследования, указывающие на то, что нуклеиновые кислоты и белки были вместе самого начала, и информация возникала параллельно и взаимозависимо сразу в двух «носителях».

Как это могло происходить, описывается в статье в Molecular Biology and Evolution. Чарльз Картер (Charles Carter) и Питер Уиллс (Peter Wills) сосредоточилась на ферментах аминоацил-тРНК-синтетазах, или арсазах. Они соединяют аминокислоты с транспортными РНК (тРНК), которые называются так потому, что приносят нужные аминокислоты туда, где синтезируется белок. Каждую аминокислоту нужно прицепить к ее тРНК, и именно эту работу выполняют арсазы. Фермент должен точно узнать тРНК и аминокислоту, которую он собирается к ней присоединить; если фермент сработает неточно, то при синтезе белка возникнет ошибка и белок может оказаться нерабочим, а то и вообще вредным.

Здесь важно, что арсазы соединяют тРНК и аминокислоты в соответствии с правилами генетического кода: в определенном месте в молекулах тРНК есть последовательности из трех нуклеотидов, которые соответствуют той или иной аминокислоте, и фермент должен распознать эту последовательность. Иными словами, арсазы выполняют первый этап перевода генетической информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот.

Как мы знаем, аминокислот, из которых синтезируются белки, всего 20 – и столько же в клетках плавает ферментов арсаз, по одной на каждую аминокислоту. Но по структуре они делятся на две разные семьи, по 10 ферментов в каждой. Каждая семья произошла от собственного белка-предка, и недавние исследования тех же Чарльза Картера и Питера Уиллса показали, что оба белка-предка для каждого семейства арсаз некогда кодировал один и тот же ген, просто один белок был закодирован в нем в одном направлении, а другой – в другом. (Соответственно, ген нужно было читать в обе стороны.)

Оба предка связывались всего лишь с двумя аминокислотами – и объем генетической информации ограничивался всего лишь двумя аминокислотами (напомним, что генетическая информация рождалась тогда, когда устанавливалось соответствие между последовательностью нуклеотидов и аминокислотой). Но и белки, и нуклеиновые кислоты менялись, появлялись новые арсазы, код усложнялся, новая генетическая информация формировалась под неослабевающим действием отбора – и главное, что и белки, и нуклеиновые кислоты должны были эволюционировать параллельно, и история арсаз хорошо это демонстрирует.

Впрочем, какими были самые первые белки, мы сейчас может только догадываться, и, очевидно, авторам работы придется приложить еще немало усилий, чтобы убедить всех в своих рассуждениях, все-таки «мир РНК» – действительно очень и очень уважаемая гипотеза.

С другой стороны, если сейчас уже известно, что и белки, и нуклеиновые кислоты как таковые могли появиться сравнительно просто, то у нас все равно остается проблема возникновения именно генетического кода. И не исключено, что тут все происходило по такому же сценарию, как с арсазами – вне зависимости от того, кто возник первым.