ДНК. История генетической революции

После того как удалось охарактеризовать молекулу-репрессор, мы наконец смогли в целом понять молекулярные процессы, лежащие в основе жизни. Известно, что ДНК продуцирует белки посредством РНК; теперь также выяснилось, что белок может взаимодействовать непосредственно с ДНК. В таком взаимодействии участвуют белки, связывающиеся с ДНК, которые способны контролировать транскрипцию многих генов, кодирующих, возможно, другие белки-регуляторы. В связи с этим белки-регуляторы обладают координирующим влиянием на активность многих генов, и их действие характеризуется плейотропным эффектом.

После открытия центральной роли РНК в работе клетки возник интересный вопрос (ответ на который долго не удавалось найти): почему передача информации из ДНК должна опосредоваться молекулой РНК, а лишь потом возможна ее трансляция в последовательность полипептидов? Вскоре после расшифровки генетического кода Френсис Крик предложил решение этого парадокса и выдвинул идею, что РНК – предтеча ДНК. Он предположил, что РНК была первой генетической молекулой и в какой-то период вся жизнь была основана на РНК. До привычного нам нынешнего «мира ДНК» (которому пара миллиардов лет) существовал «мир РНК». Крик полагал, что своеобразная химия РНК (в ее основе присутствует сахар рибоза, а не дезоксирибоза, как в ДНК) обеспечивает ей ферментные свойства, благодаря которым РНК может катализировать собственную саморепликацию.

Крик считал ДНК «более поздней эволюционной разработкой», которая могла возникнуть из-за относительной нестабильности молекул РНК: они деградируют и мутируют гораздо легче, чем молекулы ДНК. Если требуется хорошая, стабильная молекула, подходящая в качестве долговременного хранилища генетической информации, то гораздо удобнее воспользоваться ДНК, чем РНК.

Гарри Ноллер возится с рибосомами

Идеи Крика о мире РНК, предшествовавшем миру ДНК, оставались в основном незамеченными до 1983 года. В 1983 году Том Чек из Университета штата Колорадо и Сидни Олтмен из Йеля независимо продемонстрировали, что молекулы РНК действительно обладают каталитическими свойствами, и за это открытие были удостоены Нобелевской премии по химии в 1989 году. Еще более убедительные доказательства в пользу существования мира РНК до появления ДНК появились десятилетием позже, когда Гарри Ноллер из Калифорнийского университета в городе Санта-Крус продемонстрировал, что формирование пептидных связей, обеспечивающих сочленение белков из аминокислот, не катализируется ни одним из шестидесяти разных белков, ассоциированных с рибосомой – органеллой, где синтезируются белки. Напротив, образование пептидных связей катализируется РНК. Ноллер пришел к такому выводу, удалив из рибосомы все белки и обнаружив, что она при этом не утрачивает способности образовывать пептидные связи. Исключительно подробный анализ объемной структуры рибосомы, выполненный Ноллером и другими учеными, позволяет понять, почему это происходит: белки рассыпаны по поверхности, далеко от «эпицентра действий», расположенного в центре рибосомы.

Эволюция жизни после Большого взрыва. Вероятно, мы так и не сможем узнать, когда именно возникла жизнь, но первые организмы, по-видимому, были основаны исключительно на РНК

Эти открытия позволили окончательно решить проблему «курицы и яйца», коренившуюся у истоков жизни. Доминировавшая точка зрения, согласно которой первые организмы были основаны на молекуле ДНК, столкнулась с очевидным противоречием: молекула ДНК не может собираться сама собой: для этого нужны белки! Что возникло раньше? Белки, не обладающие механизмом копирования информации, или ДНК, которая может копировать информацию, но лишь в присутствии белков? Проблема была неразрешима: считалось, что никакая ДНК без белков не получится, но белки не получатся без ДНК.

Однако РНК эквивалентна ДНК (эта молекула также может хранить и воспроизводить генетическую информацию), а также эквивалентна белкам (может катализировать критически важные химические реакции) – вот и ответ. На самом деле, в «мире РНК» проблема курицы и яйца снимается сама собой: РНК – это курица и яйцо одновременно.

РНК – это эволюционная реликвия. Справившись с той или иной проблемой, естественный отбор обычно придерживается найденного решения, фактически реализуя принцип: «пока не сломалось – не ремонтируем». Иными словами, при отсутствии селективного давления, провоцирующего изменения, клеточные системы не обогащаются никакими инновациями, поэтому несут в себе многочисленные отпечатки эволюционного прошлого. Процесс может протекать именно так, а не иначе именно потому, что данное решение было найдено раньше, а не потому, что оно является наилучшим и эффективным.