Хімія і Життя - Світ вірусів, останній загальний предок і походження ДНК

У попередніх статтях ми відновлювали картину стародавніх подій за непрямими даними, наприклад за результатами хімічних експериментів. Тепер ми переходимо до побудови протоорганізмов, до спроб встановити, яким міг бути останній загальний предок, він же LUCA (Last Universal Common Ancestor). Це питання частково доступний прямому вивченню методами порівняльної геноміки.

Протоорганізми цинкового світу дали початок двом дуже різним групам клітин - бактеріям і археям. Крім того, зі спільноти протоорганізмов виділилися кілька груп вірусів, і частина їх древнє, ніж поділ предків бактерій і архей. Порівняльна геноміка дозволяє нам будувати родовідні дерева генних сімейств - встановлювати родинні зв'язки між варіантами одного і того ж гена у різних організмів і представляти їх у вигляді дерева, приблизно так само, як зображують зв'язку між видами, загонами і класами. Якщо дерево генного сімейства збігається з деревом одноклітинних організмів - на ньому є дві окремі великі гілки, бактеріальна і архейная, - це вагомий аргумент на користь того, що і останній загальний предок мав гени даного сімейства. Якщо ж дерево генів має інший вигляд, значить, еволюційна історія цього генного сімейства була складніше. Наприклад, деякі архейние представники генного сімейства зустрічаються на бактеріальної гілки і присутні в меншості архей. Можна припустити, що ген зародився в лінії бактерій, а потім стався його горизонтальний перенос до деяких групи архей. Нагадаємо, що на відміну від вертикального перенесення - передачі генів нащадкам - є і горизонтальний, коли генетичний матеріал передається іншому організму.

Віруси, мабуть, супроводжують інші форми життя з часів РНК-світу. Різноманітність їх величезна - одно- і дволанцюжкові ДНК-віруси, ретровіруси, дволанцюжкові РНК віруси, одноцепочечниє РНК-віруси з плюс-і мінус-геномом ... Їх механізми реплікації настільки ж різноманітні, і не дуже зрозуміло, як одні могли статися з інших. Однак є кілька характерних генів, які зустрічаються у всіх класах вірусів, а у клітинних організмів - ніколи. Це JRC (jelly roll capsid protein) - один з типів капсидних білків, ХЕЛІКАЗИ S3H, яка ініціює реплікацію різних типів вірусних геномів, і пакувальна ATФаза, що переносить ДНК і РНК в зібрані капсиди з витратою АТФ. Широке поширення їх генів означає, що віруси з найдавніших часів складали єдиний «вірусний світ» і обмінювалися між собою генами, якщо одночасно заражали одного господаря.

Порівняння прочитаних на сьогодні геномів бактерій і архей показує, що загальний предок мав понад 1200 родин генів - рівень досить складних сучасних бактерій. Дивно, що в цей предковий набір входять гени безлічі різних метаболічних шляхів, які нині не зустрічаються разом в одній клітці. Виходить, що загальний предок міг «поодинці» складати цілу екосистему з замкнутими геохімічними циклами. В сучасній біосфері таких прикладів практично немає. (Лише недавно в золотій шахті на глибині понад 2 км була знайдена бактерія Desulforudis audaxviator, повністю забезпечує себе всім необхідним самостійно видів, см. статтю на сайті "Елементи" .)

Отже, геном загального предка був досить великий - не менше мільйона пар нуклеотидів (для порівняння: довжина геному кишкової палички - близько 4 мільйонів пар нуклеотидів, довжина найменших геномів - паразитичних бактерій роду Mycoplasma - близько 700 тисяч пар нуклеотидів). У сучасних вірусів РНК-геноми не перевищують 30 тисяч пар нуклеотидів, тоді як ДНК-геноми досягають 1,2 мільйона.

Що обмежує розмір РНК-геномів? По-перше, ланцюг РНК легко розривається іонами заліза, лугами і просто при високій температурі. По-друге, одне з азотистих основ - цитозин - в воді поступово втрачає аміногрупу (дезамінується), перетворюючись в іншу підставу, урацил. По-третє, при утворенні шпильок в РНК нерідко виникають каталітичні активні ділянки, які каталізують власне розрізання.

Всі ці недоліки РНК усунені в ДНК. Вона містить дезоксирибози, що не має 2'-гідроксильних груп, з яких починається більшість реакцій гідролізу. Ці ж гідроксильні групи важливі для каталітичної активності РНК, тому ДНК на відміну від РНК не утворює саморазрезающіхся рибозимов. Нарешті, замість урацилу в ДНК міститься його метильований аналог - тимін, тому урацил, що утворився при дезаминировании цитозину, легко можна виявити і полагодити.

Як показано в ранніх роботах Манфреда Ейгена (ще в 1977 році він разом з Петером Шустером запропонував теорію гіперциклу, що описує можливі шляхи самоорганізації молекул в пребіотіческіх світі), для підтримки структури живої системи необхідно, щоб в кожному новому поколінні з'являлося в середньому не більше однієї значущої , тобто сильно впливає на пристосованість, мутації. Всі сучасні організми від найдрібніших вірусів до бактерій (розміри геномів від 5 тисяч до 5 мільйонів нуклеотидів) мають частоту мутацій трохи нижче порога Ейгена, в межах 0,5-1 за покоління. Тварини і рослини з великими геномами обійшли це обмеження за рахунок надмірності багатьох генів і статевого розмноження (так, у людини в середньому відбувається 30 нових мутацій за покоління), але навряд чи ці механізми працювали в РНК-світі.

Частота мутацій складається з двох чинників: частоти помилок полімерази, що копіює геном, і частоти ушкоджень геному між реплікаціями. Точність роботи РНК-залежною РНК-полімерази може бути вище, ніж у сучасних вірусів, - в експериментах зі штучного відбору точність РНК-полімерази вірусу жовтої лихоманки була доведена до єдиної помилки на 5 мільйонів нуклеотидів, майже як у бактеріальних ДНК-полімерази ( «Journal of Virology», 2004, 78, 2, 1032-1038 . doi: 10.1128 / JVI.78.2.1032-1038.2004). Але залишається вразливість РНК до гідролізу і дезамінуванню цитозину: вона-то і обмежує РНК-геноми розміром близько 100 тисяч пар нуклеотидів.

Реакція синтезу дезоксирибози дуже складна, пов'язана з утворенням небезпечних радикалів і каталізується складними ферментами. Тому між РНК і ДНК-геномами, швидше за все, були проміжні стадії, прості в синтезі, але дають перевагу в стабільності. Однією з таких проміжних стадій міг бути метил-РНК-геном ( «Chemistry and Biology», 2000., 7, 12, R207-R216, doi: 10.1016 / S1074-5521 (00) 00042-9 ). В сучасних рибосомних і деяких інших клітинних РНК окремі 2'-гідроксильні групи рибози метиловані. Це блокує «паразитні» каталітичні активності і захищає ланцюг РНК від гідролізу в цьому місці. У архей і еукаріот молекули РНК метіліруется один фермент за допомогою «напрямних» малих ядерцевих РНК (мяРНК, snoRNA). Метіліруется до 1-2% нуклеотидів Хвороби в клітинах, а в пробірці під час відсутності мяРНК той же фермент може прометіліровать до 8% нуклеотидів. Стабільність метил-РНК-геному могла відсунути межа Ейгена в кілька разів у порівнянні з РНК-геномом - можливо, до 300 тисяч пар нуклеотидів.

Однак і такий розмір генома недостатній для кодування всіх білків, які були у LUCA. Щоб вирішити це протиріччя, а також дивовижне наявність дублюючих біохімічних шляхів у одного організму, висувалися радикальні ідеї щодо неклеточной природи загального предка. Його представляли, наприклад, у вигляді реплицирующихся генетичних елементів, що населяють мікронного розміру пори в сульфідних відкладеннях гарячих джерел, де мінеральні стінки відділяють протоклітини один від одного, виконуючи функцію мембран ( «Philosophical Transactions of the Royal Society, B, Biological Science», 2007, 362, 1887-1925, doi: 10.1098 / rstb.2006.1881 ). Подібна стадія напевно була на початку еволюції РНК-світу. Але в реконструйованому наборі генів LUCA є гени мембранних білків, таких як обертається АТФаза, - а значить, мембрани у нього були.

Останнім часом вчені (наприклад, Євген Кунин, «Annals of the New York Academy of Sciences», 2009, 1178, 47-64, doi: 10.1111 / j.1749-6632.2009.04992.x ) Схиляються до подання про LUCA як про спільноту реплицирующихся молекул РНК і ДНК, що мешкав на поверхні мінералів, але мав ліпідні мембрани. (Про еволюції мембран ми розповімо в наступному номері.) Можливо, мембрани покривали плоскі скупчення білків і нуклеїнових кислот на поверхні мінералу, не даючи їм розчинятися у воді, а також обмежували вільно плаваючі бульбашки - расселительние стадії плоских «організмів-спільнот», перші об'єкти , схожі на клітини. Одні реплікатори, що складали ці спільноти, мали кооперативним поведінкою і надалі увійшли до складу клітин. Інші паразитували на співтоваристві - і стали предками вірусів. Горизонтальний перенос генів об'єднував ці реплікатори в достатній мірі, щоб вони не могли еволюціонувати як роздільні біологічні види.

Що ж нам говорить порівняльна геноміка про історію різних клітинних систем?

Тут треба пояснити деякі терміни. Ортологічнимі називаються два гена, які походять від спільного предка при поділі біологічних видів. Паралогічное - гени, які походять від загального предкового гена при будь-якому іншому подію, наприклад дуплікації ділянок всередині одного генома. Гомологічними називаються будь-які два гена, так чи інакше відбулися від предкового гена, тобто і ортологічние, і паралогічное. Нас цікавлять ортологічние гени та їх продукти (в таблиці на сірому фоні) - саме вони, як уже говорилося, могли бути у загального предка.

Ми бачимо з таблиці, що система синтезу білків, або трансляції, у останнього спільного предка вже прийшла фактично до сучасного вигляду - археї і бактерії відрізняються лише кількома допоміжними рибосомні білками. Дещо різниться історія аміноацил-тРНК-синтази - вони зазнали безліч горизонтальних переносів, особливо між різними групами бактерій, мабуть, тому, що вони досить автономні, взаємодіючи тільки з консервативними тРНК і незмінними амінокислотами, але всі вони сходять до двох загальним предкам.

Система транскрипції (синтезу РНК на матриці ДНК) теж існувала у загального предка бактерій і архей, однак її регуляція відрізнялася від сучасної. З урахуванням даних по системі реплікації можна думати, що транскрипції піддавалися не окремі гени або Оперон, а відразу цілі плазміди довжиною в десятки тисяч нуклеотидів, причому ініціація транскрипції могла відбуватися в тій же точці, що і ініціація реплікації. Подібним чином працюють вкрай компактні кільцеві мітохондріальні геноми тварин.

Система реплікації ДНК складніше, ніж система транскрипції, і у клітинних організмів має форму репликативной вилки - комплексу більш ніж з 20 видів білкових молекул (рис. 1).

1. реплікативного вилка (вгорі - схематично, внизу - більш реалістично)

Нагадаємо коротенько функції її деталей:

- топоізомераза і ХЕЛІКАЗИ розкручують вихідну двунітевой ДНК;

- дві молекули головною ДНК полімерази копіюють два ланцюги ДНК - лідируючу і запізнюється;

- SSB-білки (від англ. Single strand binding) зв'язуються з однонитевой ДНК, стабілізуючи її;

- ПРАЙМАЗИ роблять РНК-затравки (праймери), з яких починається синтез ДНК (один раз для лідируючої ланцюга і через кожні 500-2000 нуклеотидів для запізнілої ланцюга);

- екзонуклеаза перевіряють точність копіювання за ДНК-полімерази і видаляють неправильно вставлені нуклеотиди;

- допоміжна ДНК-полімераза замінює РНК-затравки на ДНК;

- ДНК-лігаза зашиває розриви, що залишаються після видалення РНК-запалів;

- білок ковзної застібки (Clamp) утримує всю конструкцію на ДНК, а Clamp loader з витратою енергії АТФ защелкивает Clamp на початку реплікації.

Система реплікації ДНК химерно поєднує компоненти, успадковані від загального предка, з незалежно виникли. Дивно, що найменше подібності між бактеріями і археями помічається в найголовніших компонентах репликативной вилки - ДНК-залежною ДНК-полімерази і праймаза. Гомологія допоміжних компонентів, особливо Clamp і Clamp Loader, означає, що структура репликативной вилки, що копіює одночасно два ланцюги, вже існувала - для більш простих механізмів, наприклад за типом «кільця, що котиться», вони не потрібні.

ДНК-полімерази архей і бактерій не мають в своїй структурі нічого спільного. Інші компоненти репликативной вилки, наприклад ХЕЛІКАЗИ, перевірочні екзонуклеаза, SSB-білки, хоча і виявляють схожість між бактеріями і археями, при детальному розгляді з'ясовується, що вони прийняли однакові функції незалежно.

Виходить, що у LUCA репликативная вилка функціонувала без ДНК-залежною ДНК-полімерази, але ДНК вже існувала. Швидше за все, це говорить про те, що геном загального предка був гетеродуплексним - двунітевая ДНК-РНК молекула в кільцевої формі. Давня репликативная вилка відповідно включала в себе зворотну транскриптазу і ДНК-залежну РНК-полімерази. ДНК-РНК-гетеродуплекси міцніше, ніж РНК і метил-РНК. Не можна, втім, виключити і інший варіант, показаний на рис. 2 в середині: зворотна транскриптаза будувала ДНК-РНК-гетеродуплекс з геномної РНК, потім РНК гетеродуплекса руйнувалася нуклеазами і ДНК добудовувалася до двухцепочечной тієї ж зворотного транскриптазой. Завершувався цикл реплікації синтезом нової РНК на двухцепочечной ДНК-матриці. Ця схема повністю збігається з репликационная циклом ретровірусів, але в ній немає місця для повноцінної репликативной вилки, хоча Clamp і Clamp Loader початково могли допомагати зворотного транскриптазе.

2. Еволюція систем реплікації (по: Leipe et al., 1999). Від РНК-геномів до чергування РНК і ДНК в життєвому циклі, як у ретровірусів, і, нарешті, до реплікації ДНК без участі РНК

На момент виходу статті, де вперше було запропоновано незалежне походження ДНК-реплікації бактерій і архей (DDLeipe, L.Aravind, EVKoonin, «Nucleic Acids Research», 1999, 27, 17, 2289-3401, doi: 10.1093 / nar / 27.17.3389 , Мал. 2, 3), різноманітність клітинних і вірусних ДНК-полімерази було вивчено недостатньо, так, ДНК-полімераза бактерій виявлялася «сиротою» без родичів. Зараз про ДНК-полімерази ми знаємо більше (див., Наприклад, «Biology Direct», 2006, 1, 39, doi: 10.1186 / 1745-6150-1-39 ), Але картина їх еволюції не цілком зрозуміла. ДНК-полімераза архей і еукаріот явно походить від вірусних зворотних транскриптаз, а серед її більш далеких родичів є вірусні РНК-залежні РНК-полімерази. Бактеріальна ДНК-полімераза близьких родичів не має, а віддалене спорідненість у неї простежується з нуклеотіділтрансферазамі - ферментами, що додають нуклеотиди до одноланцюговим РНК і ДНК, без використання другого ланцюга як матриці. Ферменти цієї групи, наприклад, додають сотні аденінових нуклеотидів до кінців матричних РНК в клітинах еукаріот.

3. Еволюція генетичних систем і поява вірусів (по: Leipe et al., 1999). Відповідно до цієї схеми, реплікація ДНК - пізніше придбання, і розвивалася вона у бактерій і архей незалежно; загальний предок обходився без неї. Римськими цифрами показані стадії, позначені на рис. 2

Ще одна складність на шляху від РНК геномів до ДНК-геномам - незрозуміло, в чому тут була пряма і безпосередня вигода для протоклітини. Основна вигода від зміни геномної нуклеїнової кислоти на більш стійку - можливість збільшити розмір і складність генома - доступна не відразу. Більш того, нова полімераза спочатку, швидше за все, буде поступатися в точності добре відпрацьованою старої, що навіть погіршить пристосованість. Вірусолог Патрік Фортер ( «Biochimie», 2005, 87, 9-10, 793-803, doi: 10.1016 / j.biochi.2005.03.015 ; «Research in Microbiology», 2009, 160, 7, 466-472, doi: 10.1016 / j.resmic.2009.07.008 ) Вирішує цю складність. За його гіпотезою, на експерименти з новими полимеразами «наважилися» віруси, а першою вигодою для них від зміни типу генома було ускользание від захисних систем господаря. Більшість клітин і в наш час використовують різні ферментативні системи, опознающие і знищують вірусні нуклеїнові кислоти, і «гонка озброєнь» між клітинами і вірусами могла викликати дуже швидку еволюцію геномних матеріалів і полимераз для їх копіювання. Крім того, малий розмір вірусних геномів знижує вимоги до точності реплікації, а необхідність довгого автономного існування віріона без репарації і без УФ-захисту сульфіду цинку посилює відбір на стійкість вірусного генома в порівнянні з геномом протоклеток. І сьогодні у вірусів зустрічається різноманітні геномні нуклеїнові кислоти: примітивна ДНК з урацілом у фагів PBS1 і PBS2 ( «Current Opinion in Microbiology», 2002 5, 5, 525-532, doi: 10.1016 / S1369-5274 (02) 00360-0 ) І ДНК з додатковими модифікаціями нуклеотидів ( «Molecular Biology and Evolution», 2005, 22, 6, 1444-1455, doi: 10.1093 / molbev / msi132 ). Лише після відпрацювання у вірусах нові полімерази були підхоплені господарями цих вірусів.

Тепер можна підвесті Підсумки. З з'явиться білкового синтезу Перші живі системи сильно розшірілі свои возможности обміну Речовини и Доступні екологічні ніші. Смороду, ймовірно, змоглі заселіті Різні верстви геотермальних відкладень сульфіду цинку, в тому чіслі Самі Нижні, малодоступні для світла, вікорістовуючі просочуються зверху Органічні Речовини І, можливо, хемосінтетічніх Реакції. Перша білкова РНК-залежна РНК-полімераза позбавила рибозими від необхідності каталізувати власну реплікацію і дозволила сильно збільшити кількість генетичної інформації. Крім того, білки стали проміжною ланкою, яке дало РНК можливість взаємодіяти з ліпідними мембранами. Так життя перейшла з двовимірної форми адсорбованих на мінеральній поверхні полімерів до тривимірної формі - скупчень біополімерів в западинах і порожнинах мінеральних відкладень, затягнутих примітивними мембранами.

Повна незалежність від сульфіду цинку тоді була ще неможлива, але з'явилися перші структури, схожі на клітини, - бульбашки, закриті мембраною з усіх боків, плаваючі у воді. Спочатку вони були расселительние стадіями плоских, що сидять на мінералах протоорганізмов. Геном таких протоорганізмов складався, по всій видимості, з безлічі різних молекул РНК, одно- або дволанцюжкових, лінійних і кільцевих. Механізми їх реплікації, швидше за все, нагадували такі у РНК-вірусів, їх розмір теж відповідав розміру РНК-вірусних геномів (в межах 30 тисяч нуклеотидів). Навіть 30 тисяч нуклеотидів ледь вистачає, щоб кодувати систему трансляції з її рРНК, тРНК, рибосомні білками і іншими факторами.

4. Еволюція «вірусного світу» і походження з нього перших клітин (Koonin, 2009). Восьмиугольники - капсиди вірусів, пунктирні рамки - ліпідні оболонки вірусів, точкові рамки - стінки мінеральних порожнин

Можливо, в протоорганізмах існувала «домінуюча» молекула РНК, яка кодувала РНК-полімерази і головні компоненти апарату трансляції, і численні РНК-плазміди, що кодують ферменти біосинтезу, засоби захисту та взаємодії з зовнішнім світом. При розподілі протоорганізмов далеко не завжди в кожну нову протоклітини потрапляв весь набір РНК, і, швидше за все, відкладення ZnS були заселені складним спільнотою біохімічно і екологічно різних протоорганізмов. Однак вони зберігали генетичну єдність завдяки найсильнішому горизонтальному переносу генів. Поряд з корисними плазмидами вже тоді мав існувати весь спектр егоїстичних генетичних елементів: від маленьких, нічого не кодують віроідов і спеціалізованих вірусів з білковими Капсид до внутрішньогеномних паразитів, таких, як інтрони I типу, РНК-аналогів сучасних ДНК-транспозони і частково егоїстичних плазмід .

Віруси в ході «гонки озброєнь» зі своїми господарями - плоскими протоорганізмамі - створили нові типи нуклеїнових кислот, такі, як метил-РНК, урацил-ДНК і тимін-ДНК. Ці нові нуклеїнові кислоти були потім підхоплені протоорганізмамі і дозволили їм збільшити розмір і стабільність генома. Винахід ДНК і вдосконалення механізмів її копіювання йшли паралельно в різних лініях вірусів, що призвело до великої різноманітності ферментів, які працюють з ДНК. Нарешті, поява високоточної ДНК-ДНК-реплікації підготувало ґрунт для об'єднання різноманітних генетичних елементів в єдині великі ДНК-геноми, а потім відбувся результат бактеріальних і архейних клітин з давнього «цинкового світу».

<< Назад далі >>

Елементи життя: чому не кремній і не фтор

Історія питання

Проблема хіральної чистоти

Фотохімія і «чорні курці»

Шляхи відновлення вуглекислого газу

Походження білкового синтезу і генетичного коду

Світ вірусів, останній загальний предок і походження ДНК

Походження мембран і мембранної біоенергетики

Захід «цинкового світу», прокаріотна біосфера і походження фотосинтезу

походження еукаріот

Роль вірусів в походженні клітинного ядра