С самого начала гипотеза «мира РНК» привлекала ученых изящным решением проблемы «курицы и яйца» (или «феникса и огня»), вынесенной в эпиграф этой статьи.
22-M. «Мир РНК» . ПРОСТЫЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА СУЩЕСТВОВАНИЯ ТВОРЦА
В обзоре рассматривается развитие исследований необычных свойств РНК, интенсивно начавшиеся в самом начале 80-ых годов XX века, что привело к формированию концепции «Мир РНК». Новые доказательства гипотезы РНК-мира: ученые обнаружили способ самовоспроизведения молекул без участия белков. “[Гипотеза мира РНК] была сведена ритуальным злоупотреблением к чему-то вроде креационистской мантры”, и. Исследования в рамках гипотезы «мира РНК» показали, что эти макромолекулы способны и к полноценной химической эволюции. Такой сценарий, по его мнению, больше соответствует результатам экспериментов и тому, что мы видим в современных организмах, чем гипотеза «РНК-мира».
Моделирование происхождения жизни: Новые доказательства существования "мира РНК"
В ходе исследование специалисты усомнились в достоверности гипотезы РНК-мира, предполагающей то, что первыми способными к размножению структурами были РНК-молекулы. С самого начала гипотеза «мира РНК» привлекала ученых изящным решением проблемы «курицы и яйца» (или «феникса и огня»), вынесенной в эпиграф этой статьи. Окончательная уверенность в том, что «мир РНК» действительно существовал, наступила после выявления деталей строения кристаллов рибосом методом рентгеноструктурного анализа. Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории опубликовали статью в журнале eLife, в которой сообщили о новых доказательствах в пользу гипотезы РНК-мира. Ученые Института биологических исследований Солка обнаружили доказательства гипотезы РНК-мира, согласно которой ключевым предшественником живых клеток стали самовоспроизводящиеся молекулы РНК.
Установлено, как первые формы жизни, возможно, упаковывали РНК
Чаще всего постулируется необходимость агрегирующих РНК мембран или размещения РНК на поверхности минералов и в поровом пространстве рыхлых пород. В 1990-е годы А. Четвериным с сотрудниками была показана способность РНК формировать молекулярные колонии на гелях и твёрдых субстратах при создании им условий для репликации. Происходил свободный обмен молекулами, которые при столкновении могли обмениваться участками, что показано экспериментально. Вся совокупность колоний в связи с этим быстро эволюционировала. После возникновения белкового синтеза колонии, умеющие создавать ферменты, развивались успешнее. Ещё более успешными стали колонии, сформировавшие более надёжный механизм хранения информации в ДНК и, наконец, отделившиеся от внешнего мира липидной мембраной, препятствующей рассеиванию своих молекул. Шапиро критикует гипотезу РНК-мира, считая, что вероятность спонтанного возникновения РНК, обладающей каталитическими свойствами, очень низка. Взамен гипотезы «вначале была РНК», он предлагает гипотезу «вначале был метаболизм», то есть возникновение комплексов химических реакций — аналогов метаболических циклов — с участием низкомолекулярных соединений, протекающих внутри компартментов — пространственно ограниченных самопроизвольно образовавшимися мембранами или иными границами раздела фаз — областей.
Эта концепция близка к коацерватной гипотезе абиогенеза, предложенной А. Опариным в 1924 году. Другой гипотезой абиогенного синтеза РНК, призванной решить проблему низкой оценочной вероятности синтеза РНК, является гипотеза мира полиароматических углеводородов, предложенная в 2004 году и предполагающая синтез молекул РНК на основе стека из полиароматических колец. Фактически, обе гипотезы «пре-РНК миров» не отвергают гипотезу мира РНК, а модифицируют её, постулируя первоначальный синтез реплицирующихся макромолекул РНК в первичных метаболических компартментах, либо на поверхности ассоциатов, отодвигая «мир РНК» на вторую стадию абиогенеза. Академик РАН А. Спирин считает, что РНК-мир не мог появиться и существовать на Земле, и рассматривает вариант внеземного в первую очередь на кометах происхождения и эволюции РНК-мира.
Но и тут оставалась проблема, как именно это свойство сохранилось во время биохимической эволюции. Чтобы в этом разобраться, ученые разработали модель, которая имитирует случайные разрывы в простых молекулах РНК без ферментативной активности. В ходе эксперимента появились короткие цепочки РНК, которые действовали как праймеры — затравки для синтеза более длинных цепей РНК. Из-за этого появлялось множество копий разрушенного полимера.
Почему же доминирует обратная гипотеза? У кого какие мысли? Имею в виду, что почему бы в первичном "бульоне" сначала не возникнуть из абиогенных аминокислот белкам, а потом, когда наросла потребность по мере и вследствие роста биологического разнообразия в компактном и надежном складировании информации к белкам не присоединиться РНК и начать выполнять функцию кодирования информации. До этого же момента почему бы эту функцию не могли бы нести белки размножаясь грубо говоря по "принципу" прионов? Белки - те же цепи, что и РНК, только не свернутые и состоящие из "немного" других звеньев. Не пойму почему тогда они должны быть первичными по отношению к белкам? Чем белки хуже? По идее предположительная репликация белков по аналогии с репликацией РНК должна идти более быстро и эффективно, чем репликация РНК если сравниваемые белки и их предположительные функциональные РНК - аналоги ещё относительно малы. Потому, что РНК ещё нужно развернуть, что требует времени а потом - свернуть.
Отмечается, что в современных организмах правильная репликация происходит с помощью ферментов, которых, в свою очередь, не было до появление первых живых клеток. Таким образом, вещество диамидофосфат способствовало соединению рибонуклеозиды в длинные цепочки, совершая эти же действия по отношению к ДНК.
Появилась новая гипотеза возникновения ДНК и РНК
| Тайна появления жизни на Земле | Поэтому многие учёные придерживаются гипотезы "мира РНК", согласно которой РНК появилась на Земле раньше, чем ДНК. |
| Мир – РНК — Студопедия | С самого начала гипотеза «мира РНК» привлекала ученых изящным решением проблемы «курицы и яйца» (или «феникса и огня»), вынесенной в эпиграф этой статьи. |
Рибозим со свойствами РНК-полимеразы синтезировал функциональные молекулы РНК
Они предложили гипотезу "мира РНК", которая предполагает, что возникновение жизни на Земле произошло путем усложнения РНК-молекул и их преобразования в молекулы ДНК и белки. Исследования в рамках гипотезы «мира РНК» показали, что эти макромолекулы способны и к полноценной химической эволюции. РНК постепенно превратилась в постоянно совершенствующийся катализатор связывания аминокислот Эта связь между РНК и пептидами или белками сохранилась и по сей день Таким образом, мир РНК-пептидов решает проблему курицы и яйца». Согласно гипотезе мира РНК, эта макромолекула изначально могла быть единственной ответственной за клеточную или доклеточную жизнь. ELife: обнаружено случайное возникновение самовоспроизводящихся молекул Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории опубликовали статью в журнале eLife, в которой сообщили об обнаружении новых доказательств гипотезы РНК-мира.
Ученые нашли новое потенциальное объяснение возникновению жизни на Земле
Химическая эволюция или пребиотическая эволюция — этап, предшествовавший появлению жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул под влиянием внешних энергетических и селекционных факторов и в силу развертывания процессов самоорганизации, свойственных всем относительно сложным системам, которыми, бесспорно, являются все углеродосодержащие молекулы. Первичная структура англ. Для стандартного биополимера, в молекуле которого нет разветвлений и перекрестных связей например, ДНК, РНК или белков понятие первичной структуры является синонимом последовательности остатков мономеров нуклеотидов или аминокислот. Считается, что термин «первичная структура» был впервые употреблён Линнерстрёмом-Лангом... Для сокращенного обозначения пользуются большими латинскими буквами.
Аденин и гуанин являются производными пурина, а цитозин, урацил и тимин — производными пиримидина. Рибонуклеазы классифицируют на эндорибонуклеазы и экзорибонуклеазы. К рибонуклеазам относят некоторые подклассы КФ 2. Остаток в биохимии и молекулярной биологии — структурная единица биополимера, состоящего из аминокислот и сахаров; часть мономера, которая остаётся неизменной после включения его в биополимер.
Например, остатками принято называть аминокислотные звенья, входящие в состав пептида. Остатки уже не являются аминокислотами, так как в результате реакции конденсации, они утратили по одному атому водорода из аминогруппы и гидроксил, входящий в состав карбоксильной группы. Кроме того, остатками также считаются... История молекулярной биологии начинается в 1930-х годах с объединения ранее отдельных биологических дисциплин: биохимии, генетики, микробиологии и вирусологии.
Кроме того, в надежде, что новая дисциплина откроет возможности понимания фундаментальных основ жизни, в неё пришли многие химики и физики. Свободные нуклеотиды, в частности АТФ, цАМФ, АДФ, играют важную роль в энергетических и информационных внутриклеточных процессах, а также являются составляющими частями нуклеиновых кислот и многих коферментов. Этот процесс называется сплайсингом от англ. Для каждой протеиногенной аминокислоты существует своя аминоацил-тРНК-синтетаза.
Сайт рестрикции участок узнавания — короткая последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК, которая распознаётся ферментом эндонуклеазой рестрикции-модификации рестриктазой. Рестриктаза связывается с молекулой ДНК в точке расположения сайта рестрикции и перерезает цепочку нуклеотидов внутри сайта или в непосредственной близости от него. Урацил 2,4-диоксопиримидин — пиримидиновое основание, которое является компонентом рибонуклеиновых кислот и как правило отсутствует в дезоксирибонуклеиновых кислотах, входит в состав нуклеотида. В составе нуклеиновых кислот может комплементарно связываться с аденином, образуя две водородные связи.
Мир полиароматических углеводородов — гипотетический этап химической эволюции, когда полициклические ароматические углеводороды ПАУ , которые, возможно, были в изобилии в первичном бульоне ранней Земли, привели к синтезу молекул РНК, что создало предпосылки для мира РНК и возникновению жизни.
А сейчас что-то "засумлевался". Поймал себя на мысли, что никак не могу зять в тол чем гипотеза первичности РНК обязана своему нынешнему доминированию. Хотелось бы прояснить этот вопрос.
Природе свойственно в глобальном плане эволюционировать от относительно примитивных простых форм к более развитым сложным. Белки же по строению - более примитивны, чем РНК. Почему же доминирует обратная гипотеза? У кого какие мысли?
Имею в виду, что почему бы в первичном "бульоне" сначала не возникнуть из абиогенных аминокислот белкам, а потом, когда наросла потребность по мере и вследствие роста биологического разнообразия в компактном и надежном складировании информации к белкам не присоединиться РНК и начать выполнять функцию кодирования информации. До этого же момента почему бы эту функцию не могли бы нести белки размножаясь грубо говоря по "принципу" прионов?
Дарвиновская Эволюция в Пробирке Хороший метод зачастую позволяет осуществить революцию в науке. Именно так можно сказать о методе полимеразной цепной реакции ПЦР , который позволяет размножать нуклеиновые кислоты в неограниченных количествах. Кратко опишем суть метода. Затем, при охлаждении, с ними связываются праймеры, образуя короткие фрагменты спиральных структур. В результате реакции из одной двуцепочечной ДНК получается две.
Если повторить процесс, получится четыре цепочки, а после n повторений — 2nмолекул ДНК. Все очень просто. Изобретение ПЦР и разработка методов химического синтеза ДНК позволили создать потрясающую технологию молекулярной селекции. Принцип молекулярной селекции тоже прост: сначала синтезируется множество молекул, обладающих разными свойствами так называемая молекулярная библиотека , а затем из этой смеси отбираются молекулы с желаемым свойством. Библиотеки нуклеиновых кислот — это смеси молекул, имеющих одинаковую длину, но отличающихся последовательностью нуклеотидов. Поскольку обычно используются участки длиной 30—60 мономеров, то в результате синтеза получается от 430 до 460 разных молекул! Цифры, привычные разве что для астрономов.
В результате получается библиотека уже одноцепочечных РНК. РНК, способную связывать определенные молекулы. С последних же можно считывать искомые РНК-аптамеры, а затем — размножать их методом ПЦР в неограниченных количествах. Конечно, так происходит в идеальном случае, на практике все получается сложнее. Обычно исходный препарат РНК содержит огромный избыток «по-сторонних» молекул, избавиться от которого трудно. С помощью такого метода были получены тысячи разных РНК-аптамеров, которые образуют специфические комплексы с различными органическими соединениями и молекулами. Рассмотренная схема молекулярной селекции может быть применена для получения молекул с любыми свойствами.
Делайте Ваш Заказ! Метод молекулярной селекции обладает очень большими возможностями. С его помощью можно решать задачи поиска нужных молекул даже в том случае, если исходно нет идеи, как такие молекулы должны быть устроены. Однако, если придумать процедуру отбора, их можно выделить по принципу требуемых свойств, а затем уже заняться и вопросом, как эти свойства достигаются. Продемонстрируем это на примере выделения РНК, способных связываться с клеточными мембранами и модулировать их проницаемость. Древние рибоциты должны были поглощать «питательные» вещества из окружающей среды, удалять продукты метаболизма и делиться в ходе размножения. И все эти процессы требуют управления проницаемостью мембран.
Поскольку мы полагаем, что никаких других функциональных молекул, кроме РНК, в рибоцитах не было, какие-то РНК обязательно должны были взаимодействовать с мембранами. Однако с химической точки зрения они совершенно не подходят для роли регуляторов проницаемости мембран. Мембраны современных клеток и липосом, построенные из жирных кислот, несут отрицательный заряд. Поскольку РНК также заряжены отрицательно, то по закону Кулона они должны отталкиваться от липидной поверхности и тем более не могут проникать в глубь липидного слоя. Эти положительно заряженные ионы могут играть роль мостиков, располагаясь между отрицательно заряженными группами на поверхности мембраны и фосфатными группами нуклеиновой кислоты. Так маленькие враги привязали Гулливера к земле множеством тоненьких веревок. Тут и помог исследователям метод молекулярной селекции.
Из библиотеки РНК удалось выделить не-сколько молекул, которые очень успешно связывались с мембранами, а при достаточно высокой концентрации — даже разрывали их! Эти РНК обладали необычными свойствами.
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. Таким образом, микротрубочки необходимы для пространственного перемещения компонентов стрессовых гранул поли А -связывающего белка, фактора eIF2, белка TIA-1.
Функции стрессовых гранул пока остаются непонятными. Можно предположить, что роль стрессовых гранул состоит в подавлении трансляции большинства матриц при избирательном отсутствии подавления трансляции определенных мРНК. Так, активно транслирующаяся при стрессе мРНК шаперона Нsp70 не включается в стрессовые гранулы.
Синтез в клетках рекомбинантной укороченной формы белка ТIА-1, ингибирующей образование стрессовых гранул, одновременно усиливает трансляцию репортерной мРНК в клетках, подвергнутых стрессу. Стрессовые гранулы можно представить как «зал ожидания», в котором «пассажиры» - неполные инициаторные комплексы — терпеливо пережидают нелетную погоду. Ее уникальные свойства быть как носителем наследуемой информации, так и возможность образовывать сложные трехмерные структуры, обладающие каталитической активностью, определяют то, что первичной молекулой могла быть РНК.
Таким образом, в одной молекуле заложены как генотип, так и фенотип. Спектр реакций, выполняемых ферментами РНК — рибозимами — очень широк, поэтому в последнее время ведутся очень активные поиски новых рибозимов, способных осуществлять другие типы реакций. Они служат катализаторами при расщеплении и сшивании других молекул РНК.
У рибозимов есть интересная особенность: максимум их активности приходится на низкие температуры. То есть они фактически обеспечивают низкотемпературный катализ. Первые рибозимы, обнаруженные Альтманом и Чеком в 1982-1983 гг, были не особенно эффективны: они лишь разрезали и соединяли отдельные фрагменты целых молекул РНК.
Однако дальнейшие исследования продемонстрировали, что эти ферменты могут катализировать и другие реакции. Джек Шостак, экспериментируя с модифицированными рибозимами, сумел выделить катализатор, способный соединять друг с другом короткие цепочки нуклеотидов. При этом использовалась энергия трифосфатных химических групп — тех самых соединений, которые и сегодня обеспечивают энергией биохимические реакции.
Это обстоятельство подтвердило идею, что рибозимы могут функционировать сходным образом с современными белковыми ферментами. У ряда видов примитивных эукариот Tetrahymena thermophila и др. Такие интроны встречаются также в генах рРНК митохондрий, хлоропластов, дрожжей и грибов, однако они не выявлены в генах позвоночных животных.
Изучение процессинга 26S рРНК тетрахимены аналог 28S рРНК высших эукариот , выполненное Чеком и сотрудниками, привело к открытию особого вида сплайсинга, осуществляемого без участия каких-либо белков и получившего название аутосплайсинг сплайсинг типа I. Таким образом была открыта аутокаталитическая функция РНК и положено начало изучению рибозимов. Таким образом в результате реакции трансэтерификации без дополнительных затрат энергии осуществляется лигирование двух экзонов с образованием зрелой 26S рРНК.
Вырезанный интрон затем циклизуется. Из его состава путем двухэтапного ауторасщепления освобождается фрагмент, содержащий 19 нуклеотидов, в результате чего образуется РНК длиной 376 нуклеотидов L-19 IVS , которая и представляет собой истинный РНК-фермент рибозим , обладающий каталитическими свойствами. Этот рибозим обладает устойчивой структурой, имеет эндонуклеазную активность, расщепляя длинные одноцепочечные РНК.
Схема аутосплайсинга у тетрахимены и процесс образования рибозима Оказалось также, что рибозим L-19 IVS помимо нуклеазной обладает invitro нуклеотидилтрансферазной полимеразной активностью и способен катализировать синтез олигонуклеотидов олиго-С. Это указывает на возможность аутокаталитической репликации РНК и является одним из важных свидетельств в пользу существования «мира РНК». В структуре интронов типа I выявлены характерные внутренние олигопуриновые последовательности у тетрахимены это последовательность GGАGGG , называемые адапторными последовательностями, которые участвуют в образовании активного центра РНК-ферментов и выполняют важнейшую роль в каталитическом расщеплении РНК.