Теtrаhуmеnа thermophila

Уж если специалист по молекулярной биологии интересуется происхождением жизни, у него непременно есть свое собственное решение проблемы «курицы и яйца». Что первично — нуклеиновые кислоты или белки? Другими словами, каковы были первые самовоспроизводящиеся молекулы? Белки обладают множеством структурных и каталитических возможностей, но не несут генетической информации, нужной для их образования. Эта информация содержится в нуклеиновых кислотах ДНК и РНК. Одноцепочечные молекулы нуклеиновых кислот способны служить матрицами для копирования самих себя, но не могут завершить процесс синтеза новой молекулы без участия белковых ферментов, называемых полимеразами, которые катализируют соединение друг с другом мономеров нуклеиновых кислот — нуклеотидов. Недавно открытая каталитическая способность некоторых РНК поддерживает предположение о том, что первыми самовоспроизводящимися молекулами были РНК или нечто в этом роде.

В 1981 г. Томас Чек с коллегами из Колорадского университета в Боулдере получили важные для этой гипотезы данные: они впервые наблюдали аутосплайсинг РНК. т.е. аутокаталитический процесс выщепления участка молекулы одноцепочечной РНК и соединения возникших концов. Ферментативная активность РНК дала основания для новых предположений. Коль скоро существуют такие каталитические РНК (их назвали рибозимами), которые, вырезая из генов отдельные участки, состыковывают концевые нуклеотиды, то, быть может, есть и такие, которые могут действовать как полимеразы, т.е. соединяя отдельные нуклеотиды в цепочку, осуществлять репликацию генов.

С тех пор обнаружены несколько классов рибозимов, но ни один из них не обладает полимеразной активностью. Обычно в нормальных условиях рибозимы выступают в роли ферментов по отношению к самим себе, осуществляя расщепление или сплайсинг в определенных местах «внутренней матрицы». Показано, что рибозимы осуществляют каталитическое превращение других молекул РНК только в экспериментальных условиях и только если у этих молекул есть общая с рибозимом матричная последовательность нуклеотидов.

Кроме того, по сравнению с полимеразами рибозимы гораздо привередливее в отношении соединяемых нуклеотидов. Например, в случае рибозима, выделенного Чеком с коллегами из простейшего Теtrаhуmеnа thermophila, подлежащий сплайсингу участок должен оканчиваться уридином, а на внутренней матрице ему должен соответствовать гуанозин. (Основания гуанин и урацил взаимодействуют друг с другом, образуя так называемую качающуюся пару.) Эти ограничения, по-видимому, придают рибозимам слишком высокую избирательность, чтобы они могли фигурировать в качестве полимераз общего действия.

Недавно Дж. Дудна и Дж. Шостак получили рибозим, в котором эти ограничения преодолены. Им удалось разграничить в рибозиме Теtrаhуmеnа каталитический центр и соседнюю с ним внутреннюю матрицу. Они модифицировали молекулу рибозима таким образом, что эти участки оказались отделены друг от друга, и в результате рибозим стал действовать на различные внешние РНК-матрицы.

Дудна и Шостак полагают, что избирательность рибозимов в отношеним нуклеотидов обусловлена сродством к определенной геометрии нуклеотидной пары. В таком случае можно попытаться обмануть рибозим, придав нуклеотидным парам пространственное сходство с парой гуанин-урацил. Для этого (по не вполне понятным причинам) требуется добавление полиамина, называемого спермидином, молекулы которого несут положительный заряд. В присутствии спермидина модифицированный рибозим способен осуществлять сплайсинг РНК без ограничений.

Конечно, рибозим, который получили Дудна и Шостак,— это далеко не первичная самовоспроизводящаяся молекула. Модицифированный рибозим Теtrаhуmеnа может соединять готовые цепочки РНК, но он не эффективен для присоединения отдельных нуклеотидов к растущей полинуклеотидной цепи. Тем не менее результаты Дудны и Шостака расширили представления о потенциальных возможностях рибозимов. И сильно укрепили претензии РНК на роль первой молекулы жизни.