Одна из гипотез, выдвинутых для объяснения происхождения жизни, гласит, что она зародилась, когда примитивные нити РНК начали спонтанно самовоспроизводиться, запустив дарвиновскую эволюцию на молекулярном уровне. Впервые исследователям удалось воспроизвести часть этого процесса в лаборатории. В частности, они показали, что определенный фермент РНК может создавать функциональные копии других нитей РНК, позволяя при этом со временем появляться новым характеристикам.
Дарвиновская эволюция основана на том, что наследственная информация (или признаки) распространяется избирательно. В молекулярной биологии эта информация хранится в виде последовательностей нуклеотидов, как в РНК, так и в ДНК. Если ДНК идеально подходит для хранения генетической информации, то РНК может как кодировать белки, так и хранить информацию. Как и ДНК, она состоит из длинных нуклеотидных последовательностей, но также может выступать в роли фермента (или катализатора), инициирующего реакции.
В 1960-х годах исследователи предположили, что жизнь возникла в «мире, созданном из РНК». Это был период, когда на первобытной Земле то тут, то там появлялись маленькие, нитевидные молекулы РНК. Эти молекулы могли послужить катализатором для возникновения самовоспроизводящейся РНК, поддерживающей жизнь. Другими словами, первые каталитические нити должны были создавать последовательные копии комплементарных нитей. Затем эти первые РНК приобрели бы способность катализировать свою собственную репликацию, действуя как РНК-полимеразы (ферменты), зависящие от присутствия РНК.
Чтобы сохранить генетическую информацию, эти копии должны быть очень точными и соответствовать оригиналу. Однако небольшие вариации последовательностей должны появляться постепенно, чтобы происходила эволюция. Более эффективные варианты будут доминировать в популяции, пока в свою очередь не появятся новые последовательности с лучшими характеристиками. По мере размножения копий могли бы реплицироваться более длинные и сложные РНК, включая более сложные каталитические последовательности.
Однако до сих пор не было найдено ни одного примера РНК-фермента с эффективной активностью РНК-зависимой РНК-полимеразы. Впервые исследователям из Института биологических исследований Салка (США) удалось создать РНК-фермент, способный запускать функциональные копии, позволяя при этом появляться новым последовательным вариантам.
Это открытие согласуется с гипотезой о том, что жизнь возникла из РНК. «Открывая новые возможности РНК, мы раскрываем потенциальное происхождение самой жизни и то, как простые молекулы могли проложить путь к сложности и разнообразию жизни, которые мы наблюдаем сегодня«, — объясняет Джеральд Джойс, президент института и соавтор нового исследования, описанного в журнале PNAS, в пресс-релизе.
Последовательности с эволюционным потенциалом
Для того чтобы обнаружить РНК-ферменты с полимеразной активностью, исследования ранее были сосредоточены на рибозимах (РНК, которые обладают особенностью катализировать определенную химическую реакцию). Используя технику направленного отбора и эволюции, эти молекулы могут создавать копии, способные, в свою очередь, индуцировать репликацию других последовательностей РНК. Однако у них есть один существенный недостаток: создаваемые копии недостаточно точны. За несколько поколений в «дочерние» последовательности вносится так много ошибок, что они полностью утрачивают свою функцию.
Диаграмма, показывающая процесс направленной эволюции полимераз и рибозимов в виде головки молотка
Чтобы преодолеть эту проблему, Джойс и его команда разработали рибозимную полимеразу с рядом ключевых мутаций, позволяющих ей создавать копии с гораздо большей точностью. В одном из экспериментов для получения более эффективной полимеразы использовался метод селективного увеличения давления. В качестве копируемой нити использовался молотковый рибозим — сегмент РНК с особой морфологией, катализирующий расщепление или присоединение к определенным участкам других молекул РНК.
Исследователи обнаружили, что рибозимная полимераза не только точно производит функциональные молотковые рибозимы, но и вносит новые вариации в создаваемые последовательности. Эти новые последовательности сохраняли функции исходной нити, а мутации облегчали их воспроизведение. Это повысило их способность к эволюции и в конечном итоге привело к тому, что они стали доминировать в лабораторной популяции молотковых рибозимов.
Последовательности молотковых рибозимов, копируемые полимеразой с низкой точностью, удаляются от исходной последовательности РНК (вверху) и со временем теряют свою функцию. Молоткообразные РНК, катализируемые полимеразой с более высокой скоростью, сохраняют свою функцию и эволюционируют в более тонко настроенные последовательности (внизу).
«Мы давно задавались вопросом, насколько простой была жизнь на ранних стадиях и когда она приобрела способность совершенствоваться. Это исследование позволяет предположить, что рассвет эволюции мог быть очень ранним и очень простым«, — объясняет ведущий автор исследования Николаос Папаставру, младший научный сотрудник лаборатории Джойса.
Более того, «мы видели, что давление отбора может улучшить РНК с уже существующей функцией, но если позволить системе эволюционировать дольше с большими популяциями молекул РНК, возможно, появятся новые функции«, — предполагает его коллега Дэвид Хорнинг, также соавтор исследования.
По мнению авторов, полученные ими результаты показывают, что простые молекулы РНК действительно могли поддерживать дарвиновскую эволюцию на заре зарождения жизни на Земле. Их эволюция к более сложным формам привела бы к появлению первых клеток, а затем и многоклеточных организмов.
