Леонардо да Винчи обнаружил, что дерево записывает свою историю в кольцах. Молекулы тоже записывают свою историю: рибосома — это лупа, в которую мы можем увидеть мир первоначальных молекул, существовавших до синтезирования белка. Рибосома — это наша молекулярная машина времени. Четыре миллиарда лет назад стала зарождаться жизнь. Примерно в это же время началось производство белка с особой последовательностью, четкой структурой и сложными функциями, которое запустило так называемую центральную догму молекулярной биологии Крика — появилась РНК. Перенос сообщения РНК в белок сразу определил дальнейшее развитие биологии, ту парадигму, которая господствует на земле уже 3,5 миллиарда лет. Во время зарождения жизни были сделаны и сохранены молекулярные записи, с тех пор молекулы исправно реплицируются. В большинстве своем это маленькие молекулы, такие как аминокислоты или сахара. Однако сохранились и большие молекулы из времен зарождения жизни — в рибосомах, где мРНК преобразуется в белок.
Рекомендуем по этой теме:
50741
Открытие структуры ДНК



Модель аккреции

В нашем исследовании мы разработали методы, основанные на трехмерных структурах, позволяющие читать древнюю информацию, сохранившуюся глубоко внутри рибосомы. Эта информация привела нас к построению предельно детальной модели эволюции рибосомы, которую мы назвали «модель аккреции». Это всеобъемлющая модель, так как она описывает происхождение большой рибосомной субъединицы, маленькой субъединицы, транспортной РНК и матричной РНК. Она описывает итеративную аккрецию фрагментов РНК в поэтапном построении гигантских рибосом.

Модель аккреции описывает эволюцию рибосомы начиная с древних, протобиологических форм жизни, с того времени, когда начали формироваться функциональные центры. Модель описывает, как они развивались до основания генетического кода и функциональной интеграции полинуклеотида и полипептида. Она задала рамки для нашего понимания, почему многоклеточные организмы быстро и постоянно увеличиваются в размерах, особенно млекопитающие (конечно, термин «быстрый» следует понимать в контексте процессов длиною во много миллиардов лет).

Рибосомы и дерево жизни

В 1969 году профессор микробиологии Карл Вёзе написал нобелевскому лауреату Фрэнсису Крику: он исследовал далекое прошлое, и ему не хватало моральной поддержки. Вёзе писал:

Рекомендуем по этой теме:
1520
Биологическая таксономия

»…Я буду благодарен… за любую поддержку (преимущественно моральную), которую вы можете мне дать… Если мы когда-нибудь распутаем ход событий, приведший к эволюции прокариотических клеток (то есть простейших)… это может быть сделано при помощи записей, хранящихся в окаменелостях. Очевидный выбор молекул здесь находится в компонентах трансляционного аппарата. Какая линия более древняя?»

У Вёзе была прекрасная интуиция, и он сосредоточился на рибосоме. Ни одна другая система не дала бы ему информацию, которую он искал. Его поиски оправдали себя: в 1977 году Вёзе и исследователь Джордж Фокс, его коллега, пересмотрели филогенетическое древо и потрясли научный мир, объявив об открытии третьего царства. Для определения филогенетических отношений Вёзе и Фокс впервые использовали секвенирование рибосомной РНК. Его метод оказался настолько эффективным, что теперь в наших базах данных зафиксировано около 5 миллионов последовательностей рРНК.


Схема синтеза рибосом в клетках эукариот. 1. Синтез мРНК рибосомных белков РНК полимеразой II. 2. Экспорт мРНК из ядра. 3. Узнавание мРНК рибосомой. 4. Синтез рибосомных белков. 5. Синтез предшественника рРНК (45S — предшественник) РНК полимеразой I. 6. Синтез 5S pРНК РНК полимеразой III. 7. Сборка большой рибонуклеопротеидной частицы, включающей 45S-предшественника, импортированные из цитоплазмы рибосомные белки, а также специальные ядрышковые белки и РНК, принимающие участие в созревании рибосомных субчастиц. 8. Присоединение 5S рРНК, нарезание предшественника и отделение малой рибосомной субчастицы. 9. Дозревание большой субчастицы, высвобождение ядрышковых белков и РНК. 10. Выход рибосомных субчастиц из ядра. 11. Вовлечение их в трансляцию

В начале XXI века научный мир вновь был потрясен ― на этот раз определением трехмерных структур рибосом в высоком разрешении. В 2009 году Стейц, Йонат и Рамакришнан получили Нобелевскую премию по химии за эту работу — «за исследования структуры и функций рибосомы». Структура рибосомы, определенная методом рентгеновской кристаллографии и криоэлектронной микроскопии, теперь известна у многих видов, и данные продолжают быстро накапливаться. Последовательности рРНК позволили микробиологам, таким как Вёзе и Фокс, переписать древо жизни. Трехмерная структура меняется со временем намного медленнее последовательности, обеспечивая возможность открыть далекое прошлое. Рибосомальные структуры позволяют нам заглянуть за корень древа жизни.

Эволюция рибосом

Трехмерная модель рибосом показывает нам, что выходной туннель был определяющей точкой в ее эволюции. Туннель постоянно расширялся и уплотнялся. Синтез некодируемых пептидов возрастающей длины давал преимущество как некоторый продукт реакции, связанный с рибосомой. Рибосома последовательно приобрела возможности для фолдинга РНК, катализа, сборки субъединиц, коррелированной эволюции субъединиц, декодирования и транслокации. Поверхностная протеинизация декодирующей рибосомы была одним из факторов более общей протеинизации других биологических процессов, что привело к возникновению современной биологии. Рибосома породила существующую симбиотическую связь функциональных белков и информационных нуклеиновых кислот.

Рекомендуем по этой теме:
21247
Как исправить ДНК человека?

Будущее исследований

Мы сейчас сосредоточены на анализе и в буквальном смысле возрождении древней рибосомы. Мы создаем компьютерные модели и экспериментально тестируем их методом пересборки вымерших макромолекул самого начала жизни, чтобы восстановить их древние функции. Мы как бы отматываем назад пленку жизни через картирование на молекулярном уровне процессов, с помощью которых РНК и белок объединили усилия для создания рибосомы — выжившего функционального набора времен зарождения жизни. Благодаря нашей работе мы надеемся открыть, каким образом изначальные и наиболее сложные во всей биологии симбиотические отношения полипептида и полинуклеотида происходили и эволюционировали до той формы жизни, что нам известна.

Это перевод статьи нашего англоязычного издания Serious Science. Прочитать оригинальную версию текста можно по ссылке.