Гипотеза мира РНК: почему РНК считают первой

Гипотеза мира РНК утверждает, что на раннем этапе становления жизни существовал период, когда РНК одновременно хранила наследственную информацию и катализировала химические реакции, а ДНК и белков ещё не было. Термин ввёл Уолтер Гилберт в 1986 году, но сама идея старше: в конце 1960-х к ней независимо пришли Карл Вёзе, Фрэнсис Крик и Лесли Оргел. Ключевой аргумент гипотезы количественный, а не только качественный: молекула, которая копирует сама себя с ошибками, удерживает лишь ограниченный объём информации. Ниже калькулятор считает этот предел по порогу ошибок Эйгена, а дальше разбираем логику гипотезы по шагам.

Проблема курицы и яйца: почему ДНК и белки не могли появиться разом

Современная клетка устроена так, что ни одна из двух её главных молекул не может возникнуть без другой. ДНК хранит последовательность, но сама не умеет ничего: чтобы её скопировать, транскрибировать и прочитать, нужны десятки белков-ферментов. Белки катализируют реакции, но их последовательность записана в ДНК и без матрицы не воспроизводится. Получается замкнутый круг: ДНК нужна для белков, белки нужны для ДНК.

Рассчитать для своей задачи

Выход из круга один: первая молекула должна была совмещать обе функции сразу. Тогда наследственность и катализ не пришлось бы согласовывать между двумя разными классами веществ. РНК на эту роль подходит лучше всех известных полимеров, и не по догадке, а по прямому эксперименту.

Рибозимы: открытие, за которое дали Нобелевскую премию

До начала 1980-х считалось, что катализ в живом целиком принадлежит белкам. В 1982 году Томас Чек показал, что интрон группы I в предшественнике рРНК инфузории Tetrahymena thermophila вырезает сам себя без единого белка. Через год Сидней Альтман доказал, что у бактериальной РНКазы P каталитическая работа лежит на РНК-субъединице M1, а белковая часть лишь помогает. В 1989 году оба получили Нобелевскую премию по химии, а каталитические РНК получили имя рибозимов.

Рассчитать для своей задачи

Рибозимы известны и природные, и полученные искусственно. Головка молотка и шпилька разрезают фосфодиэфирную связь, интроны групп I и II ведут самосплайсинг, вироиды растений размножаются через рибозимный разрез многомерных цепей. В пробирке методом направленной эволюции получены рибозимы-лигазы, рибозимы-аминоацилазы и, главное, рибозимы-полимеразы: варианты семейства R18 и его потомки достраивают комплементарную цепь длиной до нескольких сотен нуклеотидов.

Что РНК умеет одновременно

РНК сочетает два свойства, которые в остальном молекулярном мире разведены по разным классам веществ.

• Информационное. Последовательность из четырёх букв копируется по принципу комплементарности, ошибки при копировании дают наследуемую изменчивость, то есть материал для отбора.
• Каталитическое. Одноцепочечная РНК складывается в устойчивую третичную структуру со шпильками, петлями и псевдоузлами; в кармане такой структуры образуется активный центр, который ускоряет реакцию в тысячи и миллионы раз. Как выглядит подобная укладка, видно на примере вторичной структуры тРНК в форме клеверного листа.

Ни ДНК, ни белок так не умеют. ДНК из-за отсутствия 2'-гидроксила химически инертнее и почти лишена каталитической гибкости, а белок не копируется по матрице сам с себя.

Следы мира РНК в современной клетке

Самый сильный довод в пользу гипотезы даёт не палеонтология, а биохимия сегодняшней клетки: в ней сохранились узлы, где ключевую работу делает именно РНК.

• Рибосома есть рибозим. Пептидилтрансферазный центр рибосомы прокариот образован 23S рРНК; ближайший белок отстоит от места реакции на полтора десятка ангстрем. Пептидную связь при биосинтезе белка образует РНК, а не фермент.
• Кофакторы устроены как нуклеотиды. АТФ, НАД, ФАД, кофермент А, S-аденозилметионин несут аденозиновый фрагмент, который в реакции не участвует. Это выглядит как молекулярное ископаемое: остаток от эпохи, когда кофактор пристёгивался к рибозиму.
• Регуляция без белков. Рибопереключатели в лидерных участках бактериальных мРНК связывают метаболит и сами меняют экспрессию гена; на сходной логике вторичных структур РНК работает и аттенуация триптофанового оперона.
• Геномы из РНК существуют. Множество вирусов, вироиды и сателлитные РНК обходятся без ДНК на всём жизненном цикле, а обратная транскриптаза показывает, что переход РНК в ДНК химически возможен.

Порог ошибок Эйгена: почему геном мира РНК был коротким

Манфред Эйген в 1971 году показал, что точность копирования ограничивает длину последовательности. Если каждый нуклеотид копируется верно с вероятностью $q$, то доля полностью безошибочных копий цепи длиной $L$ равна

$Q = q^{L}.$

Мастер-копия удерживается в популяции, пока её преимущество $s$ перекрывает потерю на ошибки, то есть пока $Q\,s \ge 1$. Отсюда предельная длина

$L_{max} = \frac{\ln s}{-\ln q} \approx \frac{\ln s}{1 - q}.$

Подставим значения по умолчанию из калькулятора: точность $q = 0{,}99$ (одна ошибка на сто нуклеотидов), $L = 100$, превосходство $s = 10$. Тогда $Q = 0{,}99^{100} = 0{,}366$, среднее число ошибок на копию $\mu = L(1-q) = 1{,}0$, а предел длины $L_{max} = \ln 10 / 0{,}01005 \approx 229$ нуклеотидов. Цепь в сто нуклеотидов держится, цепь в триста уже размывается в облако мутантов, и это называют ошибочной катастрофой.

Отсюда парадокс Эйгена: точная репликаза нужна, чтобы удержать длинный геном, но сама она слишком длинна, чтобы уместиться в геном, который удерживается при низкой точности. Мир РНК обходит парадокс не одной большой молекулой, а кооперацией коротких: сеть взаимно копирующих друг друга рибозимов внутри общего компартмента, где отбор идёт уже на уровне капли, а не отдельной цепи.

Слабые места гипотезы

Возражения к миру РНК серьёзны и в основном химические.

• Нестабильность рибозы. В формозной реакции рибоза получается в смеси десятков сахаров и составляет доли процента; в щелочной среде она разлагается за часы, а сама РНК гидролизуется по 2'-гидроксилу заметно быстрее ДНК.
• Трудность абиогенного синтеза нуклеотидов. Классическая схема «сахар плюс азотистое основание плюс фосфат» в воде не идёт: реакция рибозы с пуринами даёт мизерный выход, с пиримидинами не идёт вовсе.
• Проблема воды. Полимеризация есть реакция конденсации с отщеплением воды, а в разбавленном водном растворе равновесие смещено к гидролизу.
• Гомохиральность и связи. Неферментативная сборка даёт смесь D- и L-форм и смесь 2'-5' и 3'-5' связей, тогда как рабочая РНК требует единообразия.

Опыт Сазерленда и что было до мира РНК

Часть возражений снял Джон Сазерленд. В 2009 году его группа собрала активированные пиримидиновые рибонуклеотиды в обход тупикового пути: сахар и основание не соединялись готовыми, а формировались совместно из гликольальдегида, цианамида, цианоацетилена, глицеральдегида и неорганического фосфата, причём фосфат работал ещё и как катализатор и буфер. В 2015 году та же школа показала цианосульфидный протометаболизм, дающий из синильной кислоты, сероводорода и ультрафиолета предшественники сразу трёх классов: нуклеотидов, аминокислот и липидов.

Рассчитать для своей задачи

Большинство исследователей сегодня считают, что мир РНК не был самым первым. До него предполагают более простые полимеры-предшественники, которые синтезируются легче: пептидные нуклеиновые кислоты, треозонуклеиновые и гликольнуклеиновые кислоты Альберта Эшенмозера. Параллельная линия гипотез ставит первым не наследственность, а обмен веществ: железо-серный мир Вехтерсхойзера и щелочные гидротермальные источники Рассела. Общая рамка такая: сначала пребиотическая химия и протометаболизм, затем мир РНК, затем разделение труда, при котором информация уходит к устойчивой ДНК, а катализ к эффективным белкам. К этому же кругу вопросов о преимуществах и издержках наследственных механизмов относится и эволюция полового размножения.

Частые ошибки

• Считать мир РНК доказанным фактом. Это гипотеза с сильной косвенной поддержкой, но без прямых свидетельств: самореплицирующийся рибозим полного цикла в лаборатории пока не получен.
• Путать рибозим и рибосомный белок. Катализ пептидной связи ведёт 23S рРНК; белки рибосомы структурные и вспомогательные.
• Думать, что рибозимы редки. Они есть в каждой клетке, а направленная эволюция даёт их в пробирке десятками типов.
• Считать мир РНК самым первым этапом. Между пребиотической химией и рибозимами почти наверняка был период более простых полимеров.
• Игнорировать порог ошибок. Без оценки $L_{max}$ разговор о «первом геноме» повисает в воздухе: длина генома жёстко связана с точностью копирования.

FAQ

Кто открыл рибозимы и когда? Томас Чек в 1982 году на самосплайсинге интрона группы I у Tetrahymena, Сидней Альтман в 1983 году на РНК-субъединице РНКазы P. Нобелевская премия по химии 1989 года.

Почему именно РНК, а не ДНК? У РНК есть 2'-гидроксил, который делает её химически активнее: он участвует в катализе и позволяет цепи складываться в сложные третичные структуры. ДНК устойчивее, и именно поэтому она позже вытеснила РНК в роли хранилища информации, но каталитически она почти бесплодна.

Какой главный аргумент против гипотезы? Химический: рибоза нестабильна, а абиогенный синтез нуклеотидов долго не удавался. Работы Сазерленда 2009 и 2015 годов сняли остроту этого возражения для пиримидинов, но универсального пребиотического пути ко всем четырём нуклеотидам пока нет.

Коротко

Гипотеза мира РНК разрешает проблему курицы и яйца тем, что отдаёт обе функции одной молекуле: РНК хранит последовательность и одновременно катализирует реакции. Фактическая опора гипотезы это рибозимы, открытые Чеком и Альтманом, рибосома с каталитическим центром из рРНК, нуклеотидные кофакторы и вирусные РНК-геномы. Ограничение задаёт порог ошибок Эйгена: при точности $q$ и превосходстве $s$ длина генома не превышает $L_{max} = \ln s / (-\ln q)$, то есть около 229 нуклеотидов при $q = 0{,}99$ и $s = 10$. Возражения химические: нестабильность рибозы и трудность абиогенного синтеза нуклеотидов, часть из них снята опытами Сазерленда. Современная картина ставит мир РНК не в начало, а в середину пути: до него простые полимеры-предшественники, после него разделение труда между ДНК и белками.