Молекулы РНК умеют синтезировать пептиды при помощи реликтовых нестандартных нуклеотидов
Вопрос о происхождении контролируемого синтеза белков (аппарата трансляции) — один из главных нерешенных вопросов теории РНК-мира. Появление этого механизма ознаменовало переход от мира РНК к миру РНК и белков. У современных организмов аппарат трансляции устроен чрезвычайно сложно. Логично предположить, что он постепенно эволюционировал из каких-то гораздо более простых механизмов синтеза пептидов. Химики из Германии обнаружили такой механизм, показав, что короткие молекулы РНК в «пребиотически правдоподобных» условиях способны последовательно присоединять аминокислоты, выращивая прямо на себе разнообразные пептидные цепочки. Ключевую роль в этом играют нестандартные нуклеотиды, встречающиеся в транспортных РНК и считающиеся реликтами РНК-мира. Открытие показало, что миру РНК и белков мог предшествовать «РНК-пептидный мир», в котором многие функции выполнялись молекулами РНК, ковалентно соединенными с короткими пептидами. Такие молекулы должны обладать более широким репертуаром возможностей, чем обычные рибозимы. Не исключено, что обнаруженный примитивный механизм синтеза пептидов был эволюционным предшественником современного аппарата трансляции.
Появление аппарата трансляции — контролируемого синтеза белков на основе инструкций, закодированных в матричных РНК, — было, несомненно, главным эволюционным достижением мира РНК (RNA world). Детали и промежуточные этапы этого процесса остаются загадочными. Однако очевидно, что современный аппарат трансляции, чудовищно сложный, не мог появиться сразу в готовом виде: у него должны были быть гораздо более простые предшественники.
Скорее всего, коэволюция размножающихся молекул РНК с примитивными пептидами началась очень рано. На это есть целый ряд косвенных указаний (см. ссылки в конце новости). Предполагается, что «миру РНК и белков», в котором уже существовал аппарат трансляции более или менее современного типа, предшествовал «мир РНК и простых пептидов». В этом мире должны были существовать более простые способы синтеза пептидов, возможно, без всяких средств контроля последовательности аминокислот (или эти средства были примитивными и малоэффективными). Простые пептиды (в том числе гомополимеры одной аминокислоты, повторяющиеся или даже вовсе случайные последовательности из двух-трех аминокислот и т. п.) могли помогать молекулам РНК множеством способов. В частности, они могли повышать их стабильность (молекулы РНК сами по себе довольно неустойчивы), расширять спектр каталитических возможностей рибозимов, повышать их эффективность и способствовать репликации (см., например: S. Tagami et al., 2017. Simple peptides derived from the ribosomal core potentiate RNA polymerase ribozyme function).
То, что молекулы РНК в принципе способны синтезировать пептиды, не вызывает сомнений. Известны рибозимы — пептидилтрансферазы (peptidyl transferase), катализирующие присоединение аминокислот к другим молекулам, в том числе к РНК и друг к другу. Именно с такого рибозима-пептидилтрансферазы, по-видимому, началась эволюция большой субъединицы рибосомы (см.: А. Марков. В поисках начала эволюции; Тайна происхождения рибосом разгадана?, «Элементы», 27.02.2009).
В статье химиков из Германии, опубликованной недавно в журнале Nature, сделан важный шаг к пониманию того, как мог быть организован синтез пептидов в «РНК-пептидном мире». Авторы показали, что синтезировать пептиды могут даже совсем коротенькие молекулы РНК, которые и рибозимами-то не назовешь без оговорок. При этом пептидные цепочки наращиваются прямо на молекулах РНК, с которыми они остаются ковалентно связанными.
Новооткрытый процесс идет в «пребиотически правдоподобных» условиях, совместимых с представлениями о том, что жизнь зародилась в наземных геотермальных источниках с сильными колебаниями температуры и циклами высыхания-обводнения. Ключевую роль в нем играют два «неканонических» нуклеозида, которые у современных организмов входят в состав некоторых транспортных РНК (тРНК, рис. 1). Один из них представляет собой модифицированный уридин (mnm5U на рис. 1), другой — модифицированный аденозин с присоединенной аминокислотой (m6aa6A). Эти нуклеозиды встречаются в антикодонной петле (в позициях 34 и 37) и считаются «живыми молекулярными ископаемыми» — древними реликтами мира РНК, в котором, по-видимому, использовался целый ряд необычных нуклеозидов наряду с четырьмя каноническими (A. C. Rios, Y. Tor, 2013. On the Origin of the Canonical Nucleobases: An Assessment of Selection Pressures across Chemical and Early Biological Evolution).
Аминокислота, которая в некоторых молекулах тРНК присоединена к модифицированному аденозину в позиции 37 (вплотную к антикодону), действительно выглядит многообещающе в контексте поиска древних способов синтеза пептидов. Что там делает аминокислота? Авторы рассудили, что, какую бы роль она ни играла в функционировании современных тРНК, ее присутствие может оказаться ключом к разгадке тайны РНК-пептидного мира.
Авторы предположили, что если нуклеотид m6aa6A (несущий аминокислоту) сблизится с нуклеотидом mnm5U, то при определенных условиях аминокислота присоединится другим своим концом (карбоксильным) к одному из атомов азота mnm5U. Это будет промежуточный этап, когда два нуклеотида соединены аминокислотой, как мостиком. Затем при повышении температуры аминокислота отсоединится от m6aa6A и, таким образом, перейдет с аденозина на уридин. Получится модифицированный аденозин без аминокислоты (m6A) и уридин с аминокислотой (aamnm5U). Теперь у аминокислоты будет свободна аминогруппа (а не карбоксильная, как при соединении с m6A). И к этой аминогруппе сможет присоединиться следующая аминокислота, принесенная новым нуклеотидом m6aa6A. В результате на модифицированном уридине будет постепенно расти пептидная цепочка (рис. 2).
Эксперименты подтвердили принципиальную возможность такого синтеза. Авторы использовали искусственно синтезированные короткие молекулы РНК двух типов: «доноры» и «акцепторы». У доноров на 5’-конце находится модифицированный аденозин с какой-нибудь аминокислотой (m6aa6A), у акцепторов на 3’-конце — модифицированный уридин mnm5U. Нуклеотидная последовательность донора обязательно должна быть комплементарна последовательности 3’-конца акцептора. Благодаря этому две молекулы образуют дуплекс (двойную спираль), их концевые нуклеотиды оказываются рядом, и аминокислота благополучно переходит с донора на акцептор. Интересно, что разные аминокислоты проделывают этот кульбит с разной скоростью — например, фенилаланин в 10 раз быстрее, чем глицин, и вдвое быстрее, чем лейцин, треонин или метионин. Это, по мнению авторов, указывает на возможность некой избирательности при синтезе пептидов.
Донор может быть совсем коротким, хотя чем длиннее участок полной комплементарности с акцептором, тем лучше идет процесс присоединения аминокислоты к акцептору. Впрочем, для присоединения следующей аминокислоты использованную молекулу-донор нужно отделить, а это как раз легче сделать, если дуплекс короткий. Минимально допустимая длина донора — три нуклеотида. Это как раз размер кодона и антикодона в современном аппарате трансляции (возможно, это нам на что-то намекает).
После того, как первая аминокислота перешла на акцептор, а использованный донор отделился от акцептора, в дело вступает следующий донор (он, конечно, тоже должен быть строго комплементарен акцептору) со следующей аминокислотой, которая присоединяется к первой, образуя дипептид. Так может продолжаться долго: авторы не обнаружили существенного замедления реакции по мере роста пептидной цепочки (рис. 3).
Можно заметить, что в этих экспериментах молекула-донор изображала из себя некий предельно упрощенный вариант (предшественник?) транспортной РНК, у которой нет ничего, кроме антикодона и модифицированного аденозина, несущего аминокислоту.
Кроме того, авторы показали, что акцептор может содержать модифицированные уридины mnm5U не только на своем 5’-конце, но и в других позициях. При наличии подходящих доноров пептиды на таком акцепторе будут расти одновременно в нескольких местах. Такие фокусы лучше получаются с молекулами РНК, состоящими не из обычных рибонуклеотидов, а из 2’-O-метилированных (см. 2′-O-methylation). Эта модификация считается древней, она вполне могла существовать в РНК-мире. Она делает молекулу РНК более устойчивой и похожей по своим свойствам на ДНК.
Еще одна возможность: донор может нести не единичную аминокислоту, а сразу целый пептид из нескольких аминокислот. Авторы показали как возможность получения таких доноров в относительно правдоподобных условиях (для этого использовались по-другому модифицированные аденозины), так и возможность присоединения пептида, принесенного донором, к пептиду, сидящему на акцепторе.
Таким образом, исследование показало возможный путь синтеза пептидов (точнее, РНК-пептидных химер — молекул РНК, «обросших» пептидами) в гипотетическом РНК-пептидном мире. Логично предположить, что такие химеры обладали более широким репертуаром каталитических возможностей, чем обычные молекулы РНК.
В обнаруженном способе синтеза пептидов пока не просматривается возможности сколько-нибудь строгого контроля аминокислотной последовательности. Механизм присоединения аминокислот к модифицированному аденозину m6A донора тоже по большей части остался за кадром. В принципе можно вообразить некий набор простых рибозимов — прообразов аминоацил-тРНК-синтетаз, обеспечивающий присоединение к донорам с определенной нуклеотидной последовательностью («протоантикодонам») только какой-то определенной аминокислоты. Тогда на акцепторах рядом с модифицированными уридинами mnm5U будут отрастать пептиды — гомополимеры той аминокислоты, которая определяется «протокодоном» — последовательностью, прилегающей к mnm5U. Это уже лучше, чем полностью бесконтрольный синтез.
Могли ли такие РНК-пептидные химеры стать первым эволюционным шагом к современному аппарату трансляции? Идея не выглядит невероятной, но ее обоснование и детализация — дело будущего.
Источник: Felix Müller, Luis Escobar, Felix Xu, Ewa Węgrzyn, Milda Nainytė, Tynchtyk Amatov, Chun‐Yin Chan, Alexander Pichler & Thomas Carell. A prebiotically plausible scenario of an RNA–peptide world // Nature. 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-04676-3.
См. также:
1) М. Никитин. 2016. Происхождение жизни: От туманности до клетки.
2) А. Марков. В поисках начала эволюции // Природа. 2015. №1.
3) Тайна происхождения рибосом разгадана?, «Элементы», 27.02.2009.
4) S. Tagami et al., Simple peptides derived from the ribosomal core potentiate RNA polymerase ribozyme function // Nature Chemistry. 2017.
5) M. Di Giulio. On the RNA World: Evidence in Favor of an Early Ribonucleopeptide World // Journal of Molecular Evolution. 1997.
6) A. C. Rios, Y. Tor. On the Origin of the Canonical Nucleobases: An Assessment of Selection Pressures across Chemical and Early Biological Evolution // Israel Journal of Chemistry. 2013.