РНК-мир

РНК-мир — это гипотетический этап возникновения жизни на Земле, на котором функции хранения генетической информации и катализа химических реакций выполнялись молекулами рибонуклеиновой кислоты (РНК). Согласно этой гипотезе, РНК предшествовала появлению ДНК и белков, образуя самоподдерживающуюся систему, способную к репликации и эволюции. Концепция РНК-мира является одной из центральных теорий в современной абиогенезе — науке о происхождении жизни.

История возникновения гипотезы

Предпосылки

В середине XX века, после открытия структуры ДНК (1953) и расшифровки генетического кода, стало ясно, что в современных клетках существует фундаментальное разделение труда: ДНК хранит информацию, РНК служит посредником при её передаче, а белки выполняют большинство каталитических и структурных функций. Однако это порождало «проблему курицы и яйца»: для синтеза белков необходима ДНК, а для репликации ДНК — белки-ферменты. Возник вопрос, какая молекула могла быть первой.

Формулировка гипотезы

В 1960-х годах независимо друг от друга Карл Вёзе, Лесли Орджел и Фрэнсис Крик высказали предположение, что РНК могла быть первой молекулой жизни. Ключевым аргументом стала способность РНК образовывать вторичные структуры, напоминающие активные центры ферментов. В 1982 году Томас Чек и Сидни Олтмен открыли рибозимы — молекулы РНК с каталитической активностью (за что в 1989 году получили Нобелевскую премию). Это открытие экспериментально подтвердило, что РНК может быть не только носителем информации, но и катализатором.

Современное развитие

В 2000-х годах были получены рибозимы, способные катализировать собственную репликацию, хотя и с низкой эффективностью. В 2009 году группа учёных под руководством Джона Сазерленда продемонстрировала синтез нуклеотидов РНК из простых пребиотических молекул (формальдегид, цианамид, фосфаты) в условиях, моделирующих раннюю Землю. В 2016 году исследователи из Института Скриппса создали искусственную систему РНК-репликации, способную к дарвиновской эволюции в пробирке.

Основные положения гипотезы

Свойства РНК, необходимые для жизни

Информационная функция: РНК способна хранить последовательность нуклеотидов, которая может кодировать аминокислотные последовательности белков (в современных клетках — через транспортную РНК и рибосомы).
Каталитическая функция: рибозимы (например, РНКаза P, рибосома) ускоряют химические реакции, включая образование пептидных связей.
Способность к репликации: РНК может служить матрицей для синтеза комплементарной цепи, хотя в современных клетках этот процесс катализируется белками.

Этапы перехода от РНК-мира к современной жизни

Абиогенный синтез нуклеотидов: образование простых нуклеотидов из неорганических предшественников (формальдегид, циановодород, фосфорная кислота) в условиях ранней Земли (гидротермальные источники, гейзеры, ультрафиолетовое излучение).
Образование первых олигонуклеотидов: спонтанная полимеризация нуклеотидов на глинистых минералах (например, монтмориллонит) или в эвтектических смесях льда.
Возникновение самовоспроизводящихся систем: появление молекул РНК, способных катализировать собственную репликацию (репликазы). Это привело к появлению первых «протоклеток» — липидных пузырьков, содержащих РНК.
Переход к ДНК: ДНК, как более стабильная молекула, постепенно вытеснила РНК из роли хранителя генетической информации. Это произошло из-за того, что ДНК не содержит рибозу (более реакционноспособную) и имеет двойную спираль, защищающую от гидролиза.
Появление белкового синтеза: рибосомы, состоящие из РНК и белков, возникли как эволюционный шаг, позволивший кодировать более сложные катализаторы.

Критика и альтернативные гипотезы

Проблемы гипотезы РНК-мира

Сложность абиогенного синтеза: хотя синтез отдельных нуклеотидов возможен, получение длинных цепей РНК в условиях, не содержащих ферментов, остаётся проблематичным. Гидролиз РНК в водной среде происходит быстрее, чем её полимеризация.
Необходимость хиральной чистоты: все известные биологические молекулы (нуклеотиды, аминокислоты) имеют определённую хиральность (D-форма для сахаров, L-форма для аминокислот). Как возникла эта асимметрия, неясно.
Отсутствие прямых ископаемых свидетельств: РНК не сохраняется в геологической летописи, поэтому гипотеза опирается только на косвенные данные и эксперименты.
Проблема «голой» РНК: в отсутствие липидной мембраны молекулы РНК быстро диффундируют и не могут поддерживать концентрацию реагентов, необходимую для репликации.

Альтернативные теории

Мир ПАН (полиароматических углеводородов): предполагает, что первыми катализаторами и носителями информации были ароматические углеводороды, образующиеся в космических условиях.
Мир тиоэфиров: гипотеза, согласно которой первыми метаболическими системами были тиоэфирные соединения, способные накапливать энергию.
Мир глиоксилатов: теория, в которой ключевую роль играют простые органические кислоты, способные к автокаталитическим циклам.
Гипотеза «первичного бульона»: классическая модель, предполагающая, что жизнь возникла в «тёплом мелком водоёме» из смеси органических молекул, но она не объясняет, как эти молекулы организовались в самовоспроизводящуюся систему.

Экспериментальные подтверждения

Синтез рибозимов

В 1990-х годах были созданы рибозимы, способные катализировать полимеризацию РНК с использованием нуклеотидтрифосфатов (класс I рибозимов).
В 2013 году группа Джека Шостака создала рибозим, который может реплицировать короткие последовательности РНК с точностью до 97%.

Абиогенный синтез нуклеотидов

В 2009 году Джон Сазерленд и его коллеги показали, что из смеси цианамида, цианоацетилена, глицеральдегида и фосфата в водном растворе при нагревании образуются нуклеотиды РНК (цитидин и уридин).
В 2015 году исследователи из Университета Токио синтезировали аденозин и гуанозин из простых пребиотических молекул.

Эволюция в пробирке

В 2016 году группа Джеральда Джойса (Институт Скриппса) создала систему, в которой рибозимы эволюционируют в сторону повышения эффективности репликации. За 100 поколений скорость репликации увеличилась в 100 раз.

Значение для современной биологии

Роль РНК в современных клетках

Рибосома — молекулярная машина, синтезирующая белки, состоит на 60% из РНК (рибосомная РНК). Каталитический центр рибосомы (пептидилтрансферазная активность) образован исключительно РНК.
Транспортная РНК (тРНК) и малая ядерная РНК (мяРНК) участвуют в сплайсинге — удалении интронов из пре-мРНК.
Рибозимы, такие как РНКаза P, участвуют в процессинге тРНК.

Применение в биотехнологии

Искусственные рибозимы используются для расщепления вирусных РНК (например, в терапии ВИЧ).
РНК-интерференция (RNAi) — механизм регуляции экспрессии генов, основанный на малых интерферирующих РНК (siRNA), — активно применяется в генной инженерии и медицине.

Интересные факты

Термин «РНК-мир» впервые был введён в 1986 году Уолтером Гилбертом в статье в журнале Nature.
В 2000 году Томас Чек и Сидни Олтмен получили Нобелевскую премию за открытие рибозимов, что стало ключевым доказательством гипотезы.
В 2010 году группа Крейга Вентера создала первую синтетическую бактерию с геномом, полностью синтезированным в лаборатории, что продемонстрировало возможность создания искусственной жизни на основе ДНК, но не РНК.
Некоторые учёные предполагают, что РНК-мир мог существовать не на Земле, а в космических условиях, например, в метановых озёрах Титана (спутника Сатурна).

Источники

Gilbert, W. (1986). «The RNA World». Nature 319, 618.
Cech, T. R. (2002). «Ribozymes, the first 20 years». Biochemical Society Transactions 30 (6): 1162–1166.
Orgel, L. E. (2004). «Prebiotic chemistry and the origin of the RNA world». Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology 39 (2): 99–123.
Sutherland, J. D. (2010). «The origin of life—out of the blue». Angewandte Chemie International Edition 49 (38): 6830–6837.
Joyce, G. F. (2012). «Bit by bit: the Darwinian basis of life». PLoS Biology 10 (5): e1001323.
Шостак, Дж. (2013). «РНК-мир: от гипотезы к эксперименту». Успехи физических наук 183 (10): 1053–1068.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →