С момента открытия того, как ДНК кодирует генетическую информацию, большинство ученых, изучающих биологическую эволюцию, сконцентрировали свое внимание на генах. Согласно теории «эгоистичного гена», клетки и организмы не более чем упаковка для защиты и передачи генов. Новое исследование бросает вызов этой идеи, предполагая, что, если уж что-то и «эгоистично», то это рибосома. Это в корне меняет все, что, как мы думаем, нам известно об эволюции жизни и, по сути, о функции самих рибосом.

Рибосома.
(Center for Molecular Biology of RNA, UC Santa Cruz)

Что лежит в основе эволюции жизни? До сих пор ученые отвечали на этот вопрос словом из трех букв – ДНК. Но в статье, опубликованной в журнале Journal of Theoretical Biology, отец и дочь доктор Мередит Рут-Бернстейн (Meredith Root-Bernstein) из Университета Орхус (Aarhus University) и доктор Роберт Рут-Бернстейн (Robert Root-Bernstein) из Университета штата Мичиган (Michigan State University) приводят доказательства того, что ответом на этот вопрос, скорее, должно быть слово «рибосомы».

Рибосома – большая и сложная молекула, присутствующая во всех живых клетках. Она содержит механизм трансляции генетической информации ДНК в белки, которые выполняют всю работу клетки и составляют большую часть ее структуры.

«Рибосомы состоят из трех связанных с белками нитей РНК, которые, как это представлено в учебниках, выполняют чисто структурную функцию, но мы показываем, что рибосомальная РНК когда-то выступала в качестве генов, мРНК и тРНК, необходимых для создания своих собственных компонентов, и дала начало этим структурам в современных клетках», – комментирует свою теорию д-р Мередит Рут-Бернстейн.

Чего хочет ДНК

Сотрудничество дочери и отца началось, когда Меридит перечитывала книгу «Discovering», опубликованную Робертом в 1989 году.

«Где-то на середине книги, вдохновленная стратегиями открытий, описываемых моим отцом, я подняла голову и спросила: чего же хочет ДНК? Антропоморфизировать большую молекулу кажется странным. Однако теория эгоистичного гена обычно выражается научным сокращением «ДНК хочет воспроизводиться». Но я подумала, действительно ли это то, чего хочет ДНК?», – рассказывает Мередит.

Когда химики-органики антропоморфизируют молекулы, они говорят, что молекулы «хотят находиться в конформации с наименьшей энергией». Это означает, что, обладая энергией, молекулы могут принимать различные конформации, но у них есть состояние покоя, в которое они возвращаются.

В состоянии покоя ДНК очень плотно свернута. Ее так трудно развернуть, что ученые до сих пор не совсем понимают, как различные вспомогательные молекулы распаковывают его для репликации и трансляции.

Поэтому, как поняла Мередит, с точки зрения органической химии, ответом на вопрос «чего хочет ДНК» является: она хочет оставаться в состоянии покоя, свернутая в узел. ДНК не хочет реплицироваться и транслироваться.

Вывод, что ДНК вряд ли была динамичным двигателем эволюционных процессов, подвел к следующему вопросу: так кто же действительно хочет реплицироваться и транслироваться?

Эгоистичная рибосома

Для Мередит и Роберта Рут-Бернстейнов ответ ясен: рибосома. Она «готова транслировать ДНК в белки», находясь в состоянии покоя. И, кроме того, рибосомы не только найдены во всех клетках всех организмов, но и почти идентичны у всех биологических видов.

Рибосомы состоят из двух типов молекул: белков и РНК. РНК структурно очень похожа на ДНК и существует в трех формах. Одна из форм РНК – рибосомальная РНК, или рРНК, согласно учебникам, выполняет чисто структурную функцию, образуя каркас рибосомальной «машины». Два других вида РНК, матричная РНК (мРНК) и транспортная РНК (тРНК), находятся за пределами рибосомы и помогают ей собирать белки по инструкциям ДНК. Матричная РНК «списывает» генетическую информацию с ДНК и переносит ее к рибосоме. Транспортная РНК переводит «послания» мРНК в аминокислоты, которые собираются в рибосоме в белок.

Вдохновленная книгой «Discovering», Мередит посмотрела на теорию эгоистичного гена с другой стороны. Что если, пытаясь воспроизвести себя, «эгоистичны» рибосомы? Не воспроизводили ли рибосомы рибосомальную РНК для взаимодействия с белками – создавая известные нам сегодня мРНК и тРНК – и не изобрели ли они ДНК как надежно сохраняемые инструкции по сборке? Если это так, то последовательности рРНК должны соответствовать последовательностям мРНК, тРНК и ДНК, кодирующим рибосомальные белки.

Эта новая гипотеза была проверена Робертом, который сравнил рибосомальную РНК с базами данных всех РНК, ДНК и белков бактерии E.coli.

Если рибосомы хотят воспроизводиться, рРНК должна содержать три вещи, которые никто никогда не замечал. Во-первых, она должна содержать «гены», кодирующие ее собственные рибосомальные белки, чтобы иметь возможность образовывать рабочую «машину». Во-вторых, она должна содержать мРНК, необходимые для переноса собственной генетической информации к этой «машине». И, наконец, она должна кодировать тРНК, необходимые для трансляции мРНК в белки.

Мередит и Роберт показали, что у E.coli структура рРНК поразительно хорошо соответствует всем этим структурам.

«Мы показали, что рРНК содержит следы мРНК, тРНК и «генов», которые кодируют структуру и функции ее собственных белков. Рибосомы не являются просто пассивными трансляторами ДНК», – комментирует д-р Роберт Рут-Бернстейн.

Все мы дом для рибосом

Модель эгоистичной рибосомы устраняет большой теоретический разрыв между, с одной стороны, простыми биологическими молекулами, которые могут образовываться в илистом грунте, океанических гидротермальных источниках или при разрядах молний, и LUCA (Last Universal Common Ancestor) – последним универсальным общим предком, одноклеточным организмом, – с другой стороны.

«Может быть, эгоистичная рибосома даст нам новое чувство родства с другими существами. Мы все просто разные виды домов для рибосом!», – заключает д-р Мередит Рут-Бернстейн.

Оригинальная статья:

The ribosome as a missing link in the evolution of life