Рождение сложности: Эволюционная биология сегодня

Марков Александр

Новые способы работы с информацией

 Одна из областей, в которых наши знания остаются до обидного неполными, — это изучение той роли, которую играют молекулы РНК в обработке генетической информации. Биологи то и дело открывают новые клеточные "информационные технологии", в которых РНК оказывается главным действующим лицом, и конца этим открытиям пока не видно.

 Новооткрытые функции РНК подтверждают теорию абиогенеза (самозарождения жизни). Почему раньше биологи не замечали множества разнообразных функций, выполняемых в клетке молекулами РНК? Может быть, слишком привыкли думать, что "всю работу в клетке делают белки"? Похоже на то. Как только ученые осознали, что жизнь началась с РНК (это понимание пришло, как мы помним, в середине 80-х годов XX века), стало ясно также и то, что теория РНК-мира имеет проверяемое следствие. Из нее следует, что, если хорошенько поискать,

в современных живых клетках могут найтись ранее незамеченные "следы" эпохи РНК-мира — в том числе разные неожиданные функции, выполняемые молекулами РНК. Это следствие блестяще подтвердилось, и новые открытия продолжают его подтверждать по сей день, так что и конца не видно. Это одно из тех обстоятельств, которые все больше убеждают нас в том, что жизнь действительно возникла естественным путем из неживой материи. Почему? Судите сами.

Из теории естественного происхождения жизни (абиогенеза) следовало, что должна существовать молекула, с которой "все началось", — молекула, способная одновременно справляться и с "работой", и с хранением наследственной инофрмации. Это было проверямое следствие — единственный реальный способ проверить научную теорию, которую нельзя подтвердить или опровергнуть прямым наблюдением (а такова большая часть научных теорий). Проверяемое следствие — чрезвычайно ценная вещь! Именно по наличию или отсутствию проверяемых следствий всегда можно отличить научную теорию от ненаучной. Например, креационизм не является научной теорией как раз потому, что не имеет проверяемых следствий. Ведь Бог мог сотворить жизнь и Вселенную с абсолютно любым строением и свойствами. Какое бы неожиданное свойство мы ни обнаружили, всегда можно сказать: это так, потому что так было угодно Богу. Мотивы высшего разума мы постичь не можем, поэтому не можем и предсказать ничего конкретного о тех областях реальности, которые еще не изучены. Наука избегает таких теорий, из которых ничего конкретного не следует. Из теории абиогенеза, напротив, следовало нечто вполне конкретное: должна существовать молекула с такими-то свойствами. Подходящую молекулу нашли — ею оказалась РНК. Проверяемое следствие подтвердилось, и теория абиогенеза заработала себе очередной большой и жирный "плюсик". Теория РНК-мира после этого стала важной составной частью теории абиогенеза. Из нее, в свою очередь, вытекали новые проверяемые следствия, которые сегодня подтверждаются, и тем самым новые "плюсики" зарабатывает и теория РНК-мира, и вмещающая ее теория абиогенеза.

 Взять, к примеру, тот же альтернативный сплайсинг. Каким образом клетка "решает", какой из вариантов сплайсинга нужно выбрать в данной ситуации (и, следовательно, какой из вариантов белка синтезировать)? Об этом пока известно очень мало. Удалось выяснить, что такая регуляция требует участия особых белков — регуляторов сплайсинга. Не было оснований думать, что сплайсинг регулируется чем-то еще, кроме белков. И вдруг ученые из Йельского университета (США) публикуют статью (Ming Т. Сheah, Andreas Wachter, Narasimhan Sudarsan, Ronald R. Breaker. Control of alternative RNA splicing and gene expression by eukaryotic riboswitches // Nature. 2007. V. 447. P. 497-500.), в которой описан совершенно иной способ регуляции, где белки не участвуют вообще. Ключевую роль в нем играет сама молекула РНК, подвергающаяся сплайсингу.

 Способность молекулы РНК самостоятельно определять свою судьбу и выбирать способ, каким она будет перекроена, определяется наличием в одном из ее некодирующих участков (интронов) специфической последовательности нуклеотидов, которая сама собой сворачивается в особую трехмерную структуру — РНК-переключатель. О том, что это такое, мы уже рассказывали в главе "Происхождение жизни".

 Исследование проводилось на грибе Neurospora crassa, известном широкой публике как розовая хлебная плесень. По иронии судьбы, на этом же объекте в 40-е годы прошлого века были получены сенсационные результаты, позволившие сформулировать принцип "один ген — один белок". Сейчас на нейроспоре изучают альтернативный сплайсинг — явление, опровергающее (или, лучше сказать, уточняющее и расширяющее) этот замечательный принцип.

 У нейроспоры, как и у ряда других эукариот, в генах, участвующих в биосинтезе тиамина (витамина В₁, были обнаружены участки, сходные с известными бактериальными РНК-переключателями, которые реагируют на производное тиамина — тиамин-пирофосфат. Большинство известных РНК-переключателей действуют по принципу отрицательной обратной связи. Они реагируют на вещество, синтезируемое белковым продуктом данного гена, и при достаточно высокой концентрации этого вещества отключают ген.

 Примерно то же самое наблюдалось и в данном случае. Повышение концентрации тиамин-пирофосфата в клетках гриба приводит к снижению производства белков, ответственных за синтез тиамина. Было показано, что если удалить из соответствующих генов участки, похожие на бактериальные РНК- переключатели, то производство тиамин-синтезирующих белков перестает зависеть

от концентрации тиамин-пирофосфата.

 Таким образом, стало ясно, что участки грибных генов, похожие на РНК-переключатели, действительно являются таковыми. Оставалось лишь выяснить механизм их действия, то есть понять, как они блокируют работу "своих" генов. У бактерий РНК-переключатели делают это либо на этапе транскрипции (первичного "прочтения" гена), либо на этапе трансляции — синтеза белка на матрице мРНК.

 У эукариот, как выяснилось, дело обстоит иначе — работа гена блокируется на этапе сплайсинга. Бактериям это недоступно, поскольку у бактерий сплайсинга нет (почти нет, если быть точным). Тиаминовый РНК-переключатель в генах Neurospora crassa располагается в первом интроне, недалеко от начала гена. Если в клетке мало тиамин-пирофосфата, РНК- переключатель "приклеивается" одной из своих петель к строго определенному месту на молекуле мРНК. Это место является одним из потенциальных мест сплайсинга, то есть именно здесь в ходе сплайсинга молекула мРНК может быть разрезана. Однако приклеившийся РНК-переключатель не позволяет этого сделать, и молекула разрезается в другом подходящем месте по соседству. В результате формируется "правильная" зрелая мРНК, на основе которой синтезируется полноценный белок.

 Если же в клетке много тиамин-пирофосфата, это вещество присоединяется к РНК-переключателю и изменяет его форму. Переключатель "отклеивается" от места сплайсинга и перестает его защищать. Тогда молекула РНК режется именно в этом месте, которое раньше прикрывалось РНК-переключателем. Это в конечном счете приводит к формированию "бракованной" зрелой мРНК, на базе которой полноценный белок синтезировать невозможно.

 Таким образом, РНК-переключатель в зависимости от концентрации тиамин-пирофосфата направляет сплайсинг по одному из двух альтернативных путей.

На этом рисунке показано, как РНК-переключатель регулирует альтернативный сплайсинг у розовой хлебной плесени (на примере гена NMT₁). Участок мРНК, вырезаемый при сплайсинге, отмечен пунктирными линиями и серыми стрелками. При низкой концентрации тиамин-пирофосфата РНК-переключатель "защищает" потенциальный сайт (место) сплайсинга, отмеченный значком в виде буквы "Т". В результате при сплайсинге вместо этого сайта используется другой, расположенный по соседству (серая стрелка). Участок мРНК, отмеченный белым цветом, не попадает в зрелую мРНК. При высокой концентрации ТРР это вещество связывается с РНК-переключателем и меняет его конфигурацию. В результате молекула РНК режется в том месте, которое раньше было прикрыто РНК-переключателем, белый участок попадает в зрелую РНК и "портит" ее. 

 Судя по некоторым косвенным признакам, регуляция сплайсинга при помощи РНК-переключателей может быть довольно широко распространена у эукариот. Чтобы проверить это предположение, необходима разработка эффективных методов поиска РНК-переключателей в эукариотических геномах — эти методы пока еще далеки от совершенства.

 Еще одна неожиданная функция РНК обнаружилась недавно в ходе изучения механизмов репарации — починки повреждений в ДНК. Оказалось, что молекулы РНК могут играть роль матриц, информация с которых переписывается в поврежденную молекулу ДНК взамен утерянной (Storici Е, Bebenek К., Kunkel Т. A., Gordenin D. A., Resnick М. А. RNA-templated DNA repair // Nature. 2007. V 447. P. 338-341.). Процесс основан на обратной транскрипции (как мы помним из предыдущей главы, так называют переписывание информации из РНК в ДНК, то есть синтез ДНК на РНК-матрице). Изобретение обратной транскрипции, между прочим, должно было стать важным переломным моментом в развитии РНК-мира, поскольку позволило РНК-организмам перейти к хранению наследственной информации в более надежной и стабильной форме молекул ДНК. В предыдущих главах мы упоминали несколько случаев использования обратной транскрипции современными организмами: это перемещение и размножение ретротранспозонов и ретровирусов, образование ретропсевдогенов, восстановление укорачивающихся при каждом клеточном делении кончиков хромосом — теломер. И вот еще один пункт добавился к этому списку — репарация ДНК.

 Если молекула ДНК повреждена — например, подверглась разрыву, — для ее починки необходима матрица, в которой последовательность нуклеотидов соответствует исходному, "правильному" состоянию поврежденного участка. Ранее считалось, что в качестве таких матриц всегда используются другие молекулы ДНК.

 Потом выяснилось, что иногда эти ДНК-матрицы синтезируются путем обратной транскрипции на основе РНК при участии ретротранспозонов.

 Наконец, совсем недавно ученые из Национального института экологии здоровья (США) сумели показать, что репарация возможна и непосредственно на основе РНК-матриц без предварительного изготовления ДНК-матрицы и без участия специфических ферментов — обратных транскриптаз, кодируемых ретротранспозонами.