Эволюционная патология

РНК как носитель генетической информации имеет пределы в сложности организации. К тому же она неустойчива в агрессивной химической среде. С момента появления самореплицирующихся молекул параллельно шел процесс отбора их более стабильных форм из числа молекул ДНК, образовывавшихся случайно посредством примитивной обратной транскрипции. Роль обратных транскриптаз играли сами молекулы РНК. А так как их активность неспецифична, копии ДНК делались и с других молекул РНК. Так формировались устойчивые полимерные агломераты — предтечи будущих хромосом. Обладая выраженной полярностью и значительным электрическим зарядом за счет поляризованных фосфатных групп, крупные молекулы ДНК в слабосолевых растворах формировали вокруг себя упорядоченные двуслойные оболочки из амфипатических органических соединений — деструктивное влияние внешней среды на новые макромолекулярные структуры снижалось. Естественный отбор сохранял только наиболее прочные из них. Для удержания оболочки такой протоклетке требовалось увеличить электрический заряд ДНК, что самым простым способом можно было достичь наращивая ее массу. Преимущества в этом процессе получили молекулы РНК протяженностью до 300 п. о., ДНК-копии которых были способны образовывать устойчивые структуры за счет водородных связей и гидрофобных взаимодействий — они и стали первыми ретротранспозонами. Теперь сложность протоклеточных структур достигла того уровня, начиная с которого склонность к вырождению «перестала быть всеобщей» (см. работу Дж. Фон Неймана, 1960).

Интроны и экзоны. Проретротранспозоны сыграли основную роль в усложнении генома клетки путем формирования его интрон-экзонной организации. Первыми интронами были массивы повторяющихся последовательностей ДНК, выполняющие функцию электростатического удержания поляризованных «хвостов» амфипатических молекул оболочки протоклетки. Экзоны же формировались путем случайных мутаций проретротранспозонов во время всех процессов матричного копирования их РНК (транскрипции, трансляции и обратной транскрипции) из участков РНК, обладающих каталитической активностью. Увеличение количества и протяженности таких структур способствовало увеличению скорости неэнзиматической трансляции простых пептидов, предназначенных в первую очередь для поддержания конформации самих РНК и примитивной регуляции процессов матричного копирования. Первые пептиды были термостабильны и гидрофобны, в слабосолевых растворах приобретали положительный заряд. Благодаря этим свойствам они обладали выраженной способностью связываться с нуклеиновыми кислотами и агрегировали между собой, формируя упорядоченные структуры протоклеток.

В последующем они послужили исходным материалом для эволюции:

1) гистоновыхи прионовыхбелков;

2) белков, входящих в состав рибонуклеопротеидов эукариот;

3) нуклеотидных и матриксных белков вирусов;

4) белков, которые мы сегодня знаем под названием шапероны, т. е. способных поддерживать трехмерную структуру других сложных белков. Естественный отбор закреплял новые признаки и новые биохимические процессы за протовидом. По мнению С. Пашутина (2006), процесс формирования РНК, способной связываться со «своей» аминокислотой (сегодня они известны как транспортные РНК; тРНК), послужил толчком к созданию примитивной системы кодирования информации об отдельных пептидах и белках и их транскрипции и трансляции в протоклетках. В ходе эволюции белкам, в силу более совершенной пространственной конфигурации, удалось перехватить каталитические функции у РНК. Результатом такого «перехвата» стало формирование генов ферментов, обладающих активностями:

1) ДНК-полимеразы (синтезирует одноцепочечную ДНК, комплементарную РНК);

2) рибонуклеазы (расщепляет исходную РНК);

3) интегразы (осуществляет процесс интеграции ДНК, синтезированной на матрице РНК, с уже существующей в протоклетке ДНК).

Три этих гена сыграли основную роль в переходе протоклеток от царства РНК к царству ДНК. Естественный отбор «подхватил» ген, кодирующий мультидоменный белок, проявляющий все три активности и известный нам с 1970 г. под названием «обратная транскриптаза». Сам процесс усложнения протоклеток в клетки, способные формировать уже многоклеточные организмы, занял не менее 3 млрд лет. «Разрастание» в архее ДНК-генома клеток за счет ретроэлементов послужило толчком к эволюции многоклеточных организмов (см. подглаву 2.3). На этом этапе их эволюции появились ретровирусы.