«Листья клевера»
Один из показательных примеров молекулярной структуры РНК является тип, по форме напоминающий лист клевера, то есть три петли вокруг стебля. Такую модель любой человек может нарисовать на листе бумаги, а не то что выявить в результате кристаллографического анализа структуры. Эта РНК очень стабильна. Может быть, поэтому мы обнаруживаем эту структуру везде – от молекулярного до макроскопического мира и листа клевера на зеленых лугах? Вопрос серьезный. Еще более удивительно то, что РНК типа «лист клевера» широко используется вирусами растений. Структуры типа «лист клевера» располагаются на концах их РНК-геномов, которые часто бывают одноцепочечными, и предназначены для их защиты от разрушения. У теломераз на конце хромосом есть выполняющие такие же защитные функции псевдоузлы, которые имеют некоторое сходство с РНК на концах геномов вирусов. Кроме того, у фагов, как и у РНК-содержащих вирусов, например у вируса гепатита C и полиовирусов, есть такого же рода концевые петлеобразные структуры. Это распространенный механизм защиты вирусами своих концов. Существуют даже вирусы, которые состоят из единственной РНК типа «лист клевера» и единственной аминокислоты – вот и весь вирус! Меньше структуру невозможно себе представить. Еще один вирус, нарнавирус (narnavirus) (в его названии имеется обозначение РНК), содержащийся в пекарских дрожжах, вирус Saccharomyces cerevisiae, состоит лишь из половины РНК типа «лист клевера», и больше ничего. Это крайне минималистичная структура, и ее вряд ли можно еще уменьшить. Вероятно, РНК-содержащие вирусы сформировали подобные структуры типа «лист клевера» из трех шпилек. Эти РНК содержат 75–90 пар оснований и не отличаются гибкостью, вероятно, в силу наличия двухцепочечных участков. А теперь мне нужно наконец-то назвать ее настоящее имя – «тРНК», то есть «транспортная РНК», поскольку она осуществляет перенос отдельных аминокислот в рибосомы для вхождения в растущую полипептидную цепочку. Именно благодаря этому ее открыли и описали. Одна тРНК и одна аминокислота в итоге эволюционировали в 60 видов тРНК и 20 аминокислот в наших клетках. Сегодня они являются важными компонентами синтеза белков рибосомами. Возможно, они произошли от вирусов, так как использовали тРНК-структуры в своих РНК-геномах до появления синтеза белков. тРНК – это некодирующие нкРНК, что и подчеркивает их древнее происхождение. Вирусы S. cerevisiae, находящиеся в дрожжах, похоже, возникли на ранних этапах синтеза белков. Репликация ретровируса также напоминает ранние этапы синтеза белка. Поэтому можно предположить, что вирусы являются создателями или предшественниками механизма синтеза белка.
Могут найтись люди, готовые опровергнуть это и предположить, что вирусы «украли» тРНК и аминокислоты из клеток. Именно так действует обратная транскриптаза, чтобы инициировать репликацию ретровируса. Она забирает тРНК из клеточного пула. Каждый тип вируса имеет разные предпочтения по тРНК. Обратной транскриптазе для обратной инициации требуется определенное содействие, и для этих целей она использует тРНК. Во всех учебниках вирусологии отмечено, что вирусы «крадут» клеточные компоненты. А я думаю, что все как раз наоборот! С моей точки зрения, вирусы были «изобретателями» клеточных строительных блоков, своего рода «бодибилдерами» клеток, а сейчас, похоже, получают выгоду от своих прошлых достижений. Может быть, вам будет любопытно узнать, что способность к синтезу белков многие считают критерием, отделяющим живой мир от мертвого. Если синтез белков невозможен, система неживая, что применимо к большинству современных вирусов. Но не нужно забывать о гигантских вирусах, которые содержат тРНК и рибосомы – отличительные черты синтеза белка; правда, это касается только неполных комплектов, а не всех их. Может быть, они чего-то лишились или остались незавершенными?
И все же это побудило ученых, открывших гигантские вирусы, заявить о них как об источниках происхождения жизни. А теперь предоставим читателю возможность сделать собственные заключения или подождать, пока не появятся результаты новых экспериментов.
РНК стали важным биотехнологическим инструментом. РНК могут исключительно за счет фолдинга проявлять свойства, аналогичные свойствам гораздо более сложных белков, состоящих из 20 аминокислот, в отличие от нуклеотидов, необходимых для синтеза РНК. Поэтому синтетическая РНК гораздо дешевле, чем белки, и ее синтез протекает быстрее. Она может принимать сложные структуры и «вписываться» в рецепторы, заменяя белки, даже имитируя специфические белковые лиганды. Эти РНК называются аптамерами. Их можно синтезировать в лабораторных условиях всего лишь из четырех нуклеотидов (белкам требуется 20 аминокислот), и в пробирке они даже могут пройти некоторую эволюцию и селекцию для совершенствования структуры и состава. Этот метод называется SELEX – акроним, обозначающий процедуру выбора и селекции. Он был разработан Томасом Чехом. Манфред Эйген, лауреат Нобелевской премии в области химии и сотрудник Общества Макса Планка в Гёттингене, основал две компании: Evotec и Direvo. Названия компаний сами по себе свидетельствуют о том, что их цели заключаются в осуществлении эволюционных химических процессов, «регулируемой эволюции». Он разработал искусственную эволюцию применительно к химическим соединениям в качестве новой процедуры оптимизации в пробирке. Это привело к появлению белков-ферментов с гораздо более высокой каталитической активностью, никогда не встречавшихся в природе, более эффективных процессов, лучшему использованию биомассы и новым биологически активным соединениям. Специфический характер работы Эйгена заключался в том, что он применял эволюционный принцип также к небиологическому миру молекул для улучшения химических продуктов, неживых соединений. Эйген, который по первому образованию физик, намного опередил своих коллег-современников, создав одно из новых направлений в химии.
Белок как шаперон
Дарвин уже отмечал, как трудно повторить в современных условиях реакции, наблюдавшиеся при образовании жизни. Сегодня вирусы разработали способы защиты своих драгоценных генов от разрушения. Один из таких способов описан ниже.
Мой коллега захотел проанализировать белок, выделенный из ВИЧ, который закрывает вирусную РНК и защищает ее от нуклеазы, характерной для всех РНК-вирусов. (В ВИЧ она называется нуклеокапсидным белком NCp7, а у вируса гриппа – нуклеопротеином (НП). Такие РНК-связывающие белки положительно заряжены и могут нейтрализовывать отрицательно заряженные РНК; они выстраиваются в одну линию, пристраиваясь друг к другу.) Такие белки предназначены для движения нуклеиновых кислот, и их находят даже в ретротранспозонах.
Их назвали «шапероны» или «наставники» («наставницы»). У наших бабушек были наставницы – более старшие по возрасту дамы, которых нанимали обеспокоенные матери для сопровождения своих незамужних дочерей. Все РНК-содержащие вирусы используют шапероны для защиты своих РНК. Эти белки выполняют много задач. Одно из их свойств заключается в удержании РНК на расстоянии. Это ведь полезно для молодых девушек? Тогда шапероны могут «расплавлять» РНК-складки, усиливать РНК–РНК взаимодействие (о котором наши бабушки, возможно, не знали) и разглаживать морщинки, вторичные структуры в РНК. Они могут раскрутить структуру типа «лист клевера» тРНК, чтобы сделать «мишенью» одну из петель в качестве праймера для репликации РНК. Кроме того, в присутствии шаперонов вирусная репликация гораздо более эффективна. Обратная транскриптаза скользит вдоль РНК более эффективно, если она «распутана» шаперонами. Можно интуитивно предположить, что РНК-связывающие белки препятствуют продвижению ферментов вдоль РНК, тем не менее истинно обратное утверждение: они повышают скорость транскрипции. Эти белки очень «липкие» в силу своего положительного заряда, и в лаборатории порой «отказываются» покидать пробирку, навсегда оставаясь на внутренней стороне стеклянной стенки. Мне не хотелось в это верить, когда один мой работник рассказал мне об этой проблеме, с которой столкнулся, осуществляя проект. Но он оказался прав. Однажды в пробирку к рибозимам и РНК он добавил шапероны, и реакция расщепления ускорилась невероятно, в несколько тысяч раз. Затем этот аспирант отправился в мировое путешествие, и проект «застрял». Когда он вернулся, я была в ярости, поскольку «его» результаты к этому времени были опубликованы Питером Дерваном в журнале Science. Он наблюдал такое же явление, но опубликовал свои результаты быстрее. Время имеет значение! Мы предприняли срочные меры и тоже опубликовали результаты в одном из респектабельных журналов. Я упоминаю об этом, поскольку, когда мы проводили эти эксперименты, я никогда не задумывалась об эволюции, то есть совсем. И все же, чтобы стать источником жизни, рибозимы, возможно, получили именно такую поддержку от положительно заряженных аминокислот, необязательно от целых белков, а реакция ускорилась – катализировалась – в 1000 раз! Это могло ускорить процесс эволюции! Предполагается, что аминокислоты легко синтезируются в пребиотическом мире и, возможно, были ранними структурами. Или же они могли быть занесены на Землю метеоритами – это не моя идея, но некоторые так считают. На нашей планете эти белки принадлежат к самым древним и консервативным; они часто содержат ионы цинка, которые связываются со специальными структурами, называемыми «цинковые пальцы», для связывания нуклеиновых кислот и транспозируемых элементов. Шапероны, должно быть, содействовали началу синтеза белков и репликации ретровирусов. Кто у кого научился? Вирусы у клеток или наоборот? Я думаю, вирусы изобрели синтез белков, который потом у них переняли клетки. Мне так кажется, но у меня мало доказательств.
