Регуляторные РНК состоят из рибозимов/вироидов/ кольцевой РНК /piwiРНК, которые родственны с функциональной и структурной точки зрения, и их свойства в наших клетках остались неизменными с начала существования мира РНК и по сегодняшний день, что действительно удивляет. Они обладают очень устойчивой структурой. Возможно, первичный бульон на первых этапах формирования жизни на Земле был самой опасной средой, и поэтому появился такой тип молекул – это всегда самый подходящий вариант!
Лауреат Нобелевской премии Сидни Альтман, который совместно с Томом Чехом открыл каталитическую РНК (рибозим), опровергает гипотезу о доминировании белков в современном мире и подчеркивает важность РНК. Он характеризует наш мир как мир «РНК и белка», который определяется с помощью ДНК в меньшей степени, чем с помощью РНК и белка. ДНК является носителем наследственной информации и ее хранилищем, но не следует забывать о способности ДНК «прыгать», что обусловливает развитие инноваций, и это обстоятельство стоит иметь в виду.
Монстры в пробирке
Вызывает удивление два диаметрально противоположных процесса развития: у бактерий и фагов жизненное кредо сводится к следующему: «быть мелкими, многочисленными, быстрыми и простыми», а у млекопитающих и человека – «быть крупными, немногочисленными, медленными и сложными». Почему возникли такие различия – некоторые организмы остаются маленькими, а другие становятся крупными? Достигли ли микроорганизмы, фаги, вирусы и бактерии оптимального уровня развития и оказались ли настолько успешными, что усложнения их структуры не произошло? Как и почему появились мы, люди, столь сложноорганизованные существа? Почему мы не остались такими же мелкими, как бактерии и фаги? По этому поводу могу высказать одну гипотезу. В процессе эволюции действует две силы: с одной стороны, налицо тенденция к усложнению, а с другой – к упрощению. Какие факторы определяют превалирование той или иной тенденции? Я занималась изучением этого вопроса и пришла к заключению, что определяющим фактором является окружающая среда.
В поддержку этого утверждения даже проводились эксперименты: если дать возможность РНК и реплицирующимся ферментам фага Qbeta размножаться в пробирке, то последующие события зависят от условий роста. При самых благоприятных условиях фаги станут меньше, избавятся от некоторого числа генов и будут все быстрее и быстрее реплицироваться. Каким образом? Они бессистемно объединяют неправильные нуклеотиды, извлекая их из довольно большого пула, и аккумулируют ошибки. Некоторые гены погибают из-за частоты и количества ошибок. Манфред Эйген назвал это «катастрофа ошибок». Qbeta «минимизируется». Число генов, безусловно, не редуцируется до нуля, но сводится к минимуму, самому незначительному необходимому для репликации числу. То, что растет все быстрее и быстрее, становясь при этом все меньше и меньше, – так называемый «монстр Шпигельмана». Через несколько сот циклов репликации размер генома «монстра» сократился приблизительно с 4500 нуклеотидов приблизительно до 200. «Монстр» превратился в карлика! Самое же невероятное заключается в том, что в ходе этого процесса РНК превратилась в некодирующую РНК. У нее нет рибосом для считывания кода, в силу чего триплеты утратили способность к кодированию. Буквально через несколько дней процесс приобрел обратную направленность – к началу. При наличии некодирующей РНК процесс начался сначала. Это удивительно. Репликацию и эволюцию фага Qbeta впервые осуществил 50 лет назад Сол Шпигельман в Нью-Йорке. Манфред Эйген из Гёттингена продолжил этот эксперимент и упростил его, убрав РНК и репликазу – фермент, вызывающий репликацию, и добавив в пробирку лишь нуклеотиды. Спустя некоторое время РНК, сформировавшиеся сами собой, реплицировались и эволюционировали, а нуклеотиды оказались сгруппированными и сформировали цепочку РНК. Из хаоса возникла первая РНК-молекула. «Монстр Шпигельмана» возник сам собой. Это два оригинальных и показательных эксперимента. Увеличение и уменьшение сложности.
В этих экспериментах условия среды играют решающую роль. Уменьшение числа генов возможно только при наличии райских условий для роста. По мере усиления роста число «выброшенных» генов увеличивается. «Маленький и быстрый». Если экстраполировать эту концепцию на другую крайность – «сложный и медленный», то можно прийти к заключению, что самая сложноорганизованная система – это человек, который и представляет другую крайность. Согласно Библии, «человек был изгнан из рая». Реакцией организма человека на сложные условия развития и среду обитания стало его усложнение. «Большой и медленный». Голод вынуждает отдельно взятую особь проявлять изобретательность, приобретать новые гены, специализироваться и обеспечивать выживание: «Необходимость – мать изобретательности». Известно, что археи характеризуются высокой выживаемостью и изобретательностью и хорошо приспосабливаются к новым условиям окружающей среды. И все же им приходится разрабатывать новые пути, на что нужно время. Поэтому они маленькие и медленные!
А сейчас я возьму на себя смелость и расскажу забавную историю. Более 40 лет назад на конференции в Колд-Спринг-Харбор Шпигельман, который, к сожалению, умер довольно рано, проводил эффектные презентации. Шпигельмана представил его цюрихский друг и председатель заседания Чарльз Вайссман. Шпигельман и Вайссман – оба являлись специалистами по фагу Qbeta. Вайссман начал представление с одной из своих знаменитых шуток: один варшавский раввин, представляя своего коллегу – раввина из города Лодзь, восхвалял его мудрость, образованность, щедрость, а гость, взяв его за рукав, прошептал на ухо: «Не забудьте сказать о скромности». Так Вайссман намекнул своему другу Шпигельману, что неплохо бы быть скромнее, а Шпигельман, будучи человеком находчивым, сразу же ответил: «И вы тоже». Целыми вечерами они соревновались в остроумии, а я наблюдала это, будучи молодой студенткой, и меня удивляло, что эти ученые соперничали друг с другом даже на встречах! Вайссман был уверен, что выиграет – так оно и вышло. Он не забыл этот случай, и по прошествии 50 лет вспомнил шутку с раввином в одном из своих электронных писем мне!
«Скромность» Шпигельмана проявилась в статье, опубликованной им в журнале PNAS, где он попытался доказать, что ретровирусы способны быть переносчиками рака при грудном вскармливании; но он немного «схитрил», приведя графики с делениями «10 импульсов в минуту» вместо общепринятого обозначения «имп/мин» (один импульс в минуту) в надежде, что никто этого не заметит. Таким образом, результаты оказались в 10 раз больше, чем на самом деле. Так или иначе, полученные им результаты были недостоверными. И на этом я закончу рассказ об этих двух выдающихся и креативных ученых.
Сейчас, когда я пишу о снижении сложности систем в условиях изобилия, мне на ум приходят последние по времени данные о нашем кишечном микробиоме со схожими наблюдениями, полученными по ожирению. Богатый рацион приводит к развитию точно такого же явления – снижению сложности микроорганизмов и числа генов. И наоборот, недостаток пищи, ограничивающая диета обусловливает сложность микроорганизмов. В настоящее время такая сложность, а именно число генов, считается практически показателем здоровья микробиомов. У жителей изолированного африканского племени было отмечено неожиданно выраженное разнообразие микроорганизмов, и у них же наблюдалась нехватка пищи и необходимость в очень разнообразном питании. Каким образом? Потеря сложности регулируется вирусами! Это является следствием интеграции на фоне ожирения, когда происходит потеря репрессоров и лизис клеток. И что же, в океане корреляция плотности локальной популяции вирома с выраженным разнообразием, возможно, является следствием недостатка пищи?
