Машина для синтеза белка образовалась путем самосборки из простых элементов. Российские биохимики выяснили, как из прото-РНК родилась столь сложная структура.
Возникновение живой клетки и ее отдельных элементов остается одной из самых больших загадок в биологии. Гипотезу о происхождении рибосомы -- клеточной органеллы для синтеза белка предложили наши соотечественники, работающие в Монреальском университете (Université de Montréal ) в Канаде. Сергей Штейнберг (Sergey Steinberg), профессор биохимии, и его студент Константин Боков (Konstantin Bokov) детально изучили взаимодействие всех элементов в современной рибосоме и просчитали, как происходила самосборка первых проторибосом и их эволюция.
Рибосома -- это клеточная структура, построенная из РНК и белка. Она состоит из двух плотных гранулярных субъединиц, большой и малой. Ее функция в клетке -- обеспечивать синтез белка. Матричная РНК (м-РНК), несущая информацию о белковой молекуле, связывается с малой субъединицей, которая распознает кодон -- участок из трех нуклеотидов, соответствующий одной аминокислоте будущего белка. Аминокислоту доставляет к месту сборки транспортная РНК (т-РНК), а сама сборка белковой молекулы из аминокислот происходит посередине между большой и малой субъединицами.
Эта сложная система слаженно работает во всех клетках организма, причем и у бактерий, и у растений, и у человека рибосомы устроены примерно одинаково. Очевидно, что эта структура сформировалась на заре возникновения жизни. По мнению многих ученых, первый мир органических молекул был «миром РНК», когда белки еще не существовали, а молекулы РНК вступали в химические реакции и сами себя катализировали. Но чтобы появились первые молекулы белка, должны были возникнуть хотя бы самые примитивные рибосомы -- проторибосомы.
Разгадывание рибосомного «паззла»
Команда Сергея Штейнберга уже несколько лет изучает вопрос, как могли сформироваться первые рибосомы. Для этого они изучают рибосомы современные. Центральную часть рибосомы составляет РНК, а белки расположены на периферии. «Проблема возникновения рибосомы сводится к проблеме возникновения рибосомной РНК», -- пишут Сергей Штейнберг и Константин Боков в Nature.
Моделью им послужила РНК рибосомы кишечной палочки E. сoli. Эта РНК состоит из шести доменов, в которых они выделили 59 элементов. Каждый элемент представляет собой петлю из цепочки нуклеотидов. Элементы связаны между собой, таким образом образуется трехмерная структура молекулы.
Среди доменов молекулы ученые выделили пятый домен, отличающийся от остальных по характеру связей его элементов. Именно здесь находится «пептидил-трансферазный центр» рибосомы, в котором происходит присоединение очередной аминокислоты к полипептидной цепи. Биологи предположили, что пятый домен -- самая древняя по происхождению часть рибосомы.
Чтобы проверить предположение, исследователи применили такой прием: они последовательно удаляли разные элементы из рибосомной РНК и смотрели, как это повлияет на ее строение. Если удаление какого-либо элемента никак не влияет на пространственную структуру остальной части молекулы, значит, он был присоединен к ней позднее. Проанализировав результаты удаления всех элементов, ученые ранжировали их по времени приобретения в эволюции.
Получилось, что 93% элементов относятся к более поздним приобретениям, а оставшаяся часть, расположенная как раз в пятом домене, -- минимально необходимая для структуры рибосомы. Без нее органелла просто разваливается. Очевидно, с пятого домена она и начиналась.
Эволюция рибосомы
Ученые предположили, что эволюция рибосомы начиналась с первичного фрагмента длиной в 110 нуклеотидов, который имел ключевой для опознания т-РНК конец. Удвоение этого фрагмента, так что он мог опознавать уже не одну, а две т-РНК, привело к возникновению самой простой, но уже функционально активной проторибосомы, которая могла синтезировать белок. При этом последовательность аминокислот в первичной молекуле белка на том этапе ничем не задавалась -- это была случайная последовательность. Это предположение подтвердилось в эксперименте: такой димер был способен проводить реакцию присоединения одной аминокислоты к другой.
Постепенно проторибосома обрастала новыми и новыми элементами. Каждый из них встраивался в уже существующую структуру, придавая ей дополнительные свойства. Первые восемь элементов, присоединенные к проторибосоме, придали ей дополнительную устойчивость. Следующие 12 элементов увеличили массу. Когда все элементы были собраны воедино, сформировались две субъединицы рибосомы в комплексе с белками и другими молекулами РНК.
«Наши результаты продемонстрировали, -- пишет Сергей Штейнберг, -- что такая сложная структура, как рибосома, могла самостоятельно построиться из простых молекул, которые взаимодействовали между собой по очень простым химическим правилам. Это могло произойти в эволюции за относительно короткое время».
На ранних стадиях рибосомы существовали как тела, построенные исключительно из РНК, но когда они «наработали» какое-то количество белка, то стали использовать его для своей же структуры. Так мир РНК сменился миром белков, в котором мы живем сейчас.
Статья опубликована в журнале Nature.
