РНК-мир: у истоков жизни

РНК-мир
и возникновение жизни
Светлана Александровна Боринская,
ведущий научный сотрудник
Института общей генетики им Н.И. Вавилова РАН
Биологический факультет МГУ
17 октября 2012
РНК-мир
и возникновение жизни
литература по теме:
С.А. Боринская
РНК-мир: у истоков жизни
Педагогический марафон 2007
http://bio.1september.ru/articlef.php?ID=200701302
Александр Марков
Происхождение жизни
http://macroevolution.narod.ru/paleobac.htm#1
Гипотеза мира РНК - Википедия
Луи Пастеру принадлежит первое прямое доказательство
происхождения живого только от живого. В 1862 году он получил
премию Французской академии наук за эту работу.
Суть опыта: в колбе с изогнутой трубкой находился прокипяченный
сенный настой. В течение нескольких недель он стоял совершенно
прозрачный. Как только колбу наклонили (сквозь трубку в колбу
попали микроорганизмы) - настой забродил.
Вывод - живое только от живого.
К теории абиогенеза пришли лишь через 60 лет.
В 1920-е гг. А.И. Опарин и Дж. Холдейн
предположение, что ~4 млд. лет назад жизнь могла возникнуть
абиогенно, в силу тех условий, которые существовали тогда на
Земле.
Популярные обзоры начальных этапов зарождения жизни, включая работы
академиков А.С. Спирина, А.Г. Заварзина и других ведущих ученых в этой
области, можно найти на сайте А.В. Маркова «Проблемы эволюции» в
разделе «Зарождение жизни. Прокариотная биосфера»
(http://macroevolution.narod.ru/paleobac.htm#1).
КАК ВОЗНИКЛИ СОПРЯЖЕННЫЕ
МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ?
КАК ВОЗНИКЛИ
СЛОЖНЫЕ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МАШИНЫ?
КАК ВОЗНИКЛА ЖИЗНЬ?
А.Конан Дойль. "Пляшущие человечки"
... - Холмс, как, черт побери, вы об этом узнали? - спросил я.
- Видете ли, дорогой мой Уотсон ... Не так уж трудно построить
серию выводов, в которой каждый последующий простейшим
образом вытекает из предыдущего. Если после этого удалить все
средние звенья и сообщить слушателю только первое звено и
последнее, они произведут ошеломляющее впечатление. Взглянув
на впадинку между большим и указательным пальцем вашей левой
руки, мне было совсем нетрудно заключить, что вы не собираетесь
вкладывать свой капитал в золотые россыпи.
- Но я не вижу никакой связи между этими двумя обстоятельствами!
- Вот опущенные звенья этой простейшей цепи. Во-первых... Вовторых ... В-шестых ...
- До чего просто! - воскликнул я.
- Конечно, - сказал он, слегка уязвленный, - всякая задача
оказывается очень простой после того, как вам ее растолкуют. А вот
вам задача еще не решенная...
Функции биополимеров
ДНК - репликация, транскрипция
РНК - структурная функция, трансляция,
регуляция, рибозимы
Белки - структурная функция, ферменты, движение,
передача сигналов
Липиды - структурная функция, запасные вещества
Сахара - структурная функция, запасные вещества
ДНК
РНК
белок
Нобелевские премии
1975 г. - Говард Темин и Дэвид Балтимор
РЕВЕРТАЗА
за открытие обратной транскриптазы
1989 -
Сидней Олтмен, Томас Чек
РИБОЗИМЫ
за открытие каталитических свойств РНК
РНК-мир
Фунцкии РНК: РНК-геном, она же
фермент-рибозим.
Репликация РНК
РНК + белок:
РНК + белок+ДНК:
Трансляция
Обратная транскрипция
Репликация ДНК
БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ
МАШИНА ПЛАНЕТЫ
по Г.А.Заварзину, 2001
1500
осадочные
породы
Сопряжение биогеохимических циклов
Все величины даны в 1018 г
Разнообразие метаболизма бактерий
достаточно для того, чтобы катализировать
биогеохимическую машину планеты.
Автотрофные бактерии:
хемолитотрофы и фототрофы
Источники энергии
Бескислородный фотосинтез
H2 + O2 =>H2O
H2+ S => H2S
H2S + O2
Fe2+ + O2
NH3 + O2
H2 +CO2
2H2S + СO2
свет
(CH2O) + 2S +H2O
углевод
Сульфид оксиляется до элементарной серы и
накапливается в клетках (пурпурные
бактерии) или снаружи (зеленые бактерии)
БАКТЕРИИ КАТАЛИЗИРУЮТ МЕТАБОЛИЗМ ПЛАНЕТЫ
(трофические отношения в бактериальном сообществе)
Г.А.Заварзин, 2001
Как возник цикл
Кребса?
АТФ
АТФ
АТФ
АТФ
Принцип «блочной эволюции»: все новое кроится из уже существующих блоков. Цикл
Кребса состоит из двух независимых «половинок», для замыкания которых в цикл
достаточно было добавить один фермент
Новый фермент
МНОГООБРАЗИЕ
ФУНКЦИЙ
РНК
РЕЛИКТ РНК-МИРА: Синтез ДНК начинается с РНК-затравки
ДНК-матрица
ведущей нити
ДНК-полимераза
на ведущей нити
ИСХОДНАЯ
ДНК
Фрагмент
Оказаки
РНК-праймер
ХЕЛИКАЗА
ПРАЙМАЗА
ДНК-матрица
запаздывающей нити
ДНК-полимераза на
запаздывающей нити
Белки, связывающие
однонитевую ДНК
Распознающие РНК
«РНК- сенсоры»
участки размером ~ 50 нуклеотидов в
мРНК, способные специфически
связывать определенные субстраты
РНК-термометр:
транслировать или не транслировать?
РНК-термометр у бактекриофага у патогенной бактерии листерии
РНК-термометр:
транслировать или не транслировать?
РНК-термометр у бактериофага лямбда
Молчание РНК:
регуляция трансляции с помощью микроРНК.
Присоединяясь с мРНК, микроРНК заставляет ее
«умолкнуть», блокируя синтез белка или снижая его
интенсивность
Молчание РНК:
регуляция трансляции с помощью микроРНК
МикроРНК обеспечивает систему «быстрого реагирования», так как позволяет
запасти мРНК в неработающем состоянии и при необходимости быстро запустить
синтез белка (например, при образовании синаптических контактов)
Этапы синтеза микроРНК
RISC
Dicer
Drosha
первичный
транскрипт
ядерная
пре-микроРНК
Первичный транскрипт
разрезается в ядре
«микропроцессорным»
комплексом с участием
белка Drosha с
образованием структуры
«стебель-петля».
цитоплазматическая
пре-микроРНК
Пре-микроРНК
транспортируется из ядра в
цитоплазму
микроРНК
в составе
двунитевого
комплекса
Ферментативный
комплекс Dicer
удаляет петлю
a
- uu
u
a
g
cu gu
uggu g aucaag guaacagca cuccau ugga gu a
|||| | |||||| ||||||||| |||||| |||| ||
acca u uaguuu cauugucgu gaggug accu ua c
a
u gg
u
a
-u ac
последовательность нуклеотидов одной из микроРНК - miR-194-1 (локус 1q41)
Зрелая микроРНК
взаимодействует
с 3’-UTR мРНК-мишени в
составе комплекса RISC
(microRNA-induced silencing
complex)
МУТАЦИИ В ГЕНЕ МИОСТАТИНА
Выявлена мутация в гене
миостатина у породы овец тексель
(Texel), имеющих повышенную
продукцию мышечной массы.
Однонуклеотидная замена приводит
к появлению участка распознавания
miR-1 в 3'-UTR мРНК миостатина. В
результате понижается уровень
синтеза миостатина, негативно
регулирующего рост мышечной
ткани. Результат – повышенная
продукция мышечной массы.
Clop et al., 2006. "A mutation creating a potential
illegitimate microRNA target site in the myostatin gene
affects muscularity in sheep.". Nat Genet 38 (7): 813–8
ИЗМЕНЕНИЯ РАБОТЫ ГЕНА
МИОСТАТИНА могут быть
связаны и с другими мутациями
Ребенок
2 года,
США
Ребенок
7 мес,
Германия
Знаменитый бодибилдер
Flex Wheeler (род. 1965 в
США) с врожденной
мутацией гена миостатина .
Из 62 обследованных
мужчин с необычайно
высокой мышечной массой у
9 были найдены мутации в
гене миостатина.
Изучив структуру фермента РНК-зависимой РНК-полимеразы,
размножающей короткие молекулы РНК у гриба Neurospora crassa,
британские и финские биологи пришли к выводу, что это, возможно,
один из самых древних ферментов на свете. Этот белок, способный
размножать молекулы РНК без участия ДНК, по-видимому,
представляет собой реликт эпохи РНК-мира. Он мог быть одним из
первых функциональных белков, приобретенных древнейшими
организмами, у которых изначально все функции выполнялись
молекулами РНК. На древность данного белка указывают результаты
сравнения его структуры с другими изученными РНК-полимеразами
Источник: P. S. Salgado, M. R. L. Koivunen, E. V. Makeyev, D. H. Bamford,
D. I. Stuart et al. (2006). The structure of an RNAi polymerase links RNA
silencing and transcription // PLoS Biology 4(12): e434.
DOI: 10.1371/journal.pbio.0040434.
ТРИ ДОМЕНА ЖИЗНИ
родство групп установлено по сходству
нуклеотидных последовательностей рРНК
Археи
(архебактерии)
Эубактерии
Plant
Metazoa
Fungi
Эукариоты
При сравнении нуклеотидных последовательностей полных
геномов бактерий и архей было показано, что компоненты
механизма транскрипции (синтеза РНК) и трансляции
(синтеза белка) у них очень сходны. Основные компоненты,
участвующие в репликации ДНК (ДНК-полимераза, праймаза
и репликативная геликаза) оказались различными, хотя
некоторые ферменты репликации (ДНК-лигаза и ферменты
биосинтеза предшественников ДНК) оказались похожими.
Мембраны архей и бактерий состоят из липидов разных
типов, а системы биогенеза липидов у них совершенно не
похожи. Реконструированная последовательность событий
приведших к появлению клеточных форм жизни представлена
на следующем рисунке.
Koonin EV, Martin W. On the origin of genomes and cells within
inorganic compartments.
Trends Genet. 2005 21(12):647-54.