Найден самый древний из ферментов
|
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.
РНК-полимеразы — одни из самых главных ферментов всех живых организмов. Именно они осуществляют «считывание» генетической информации (транскрипцию). Существует два типа РНК-полимераз: ДНК-зависимые (давно известные и хорошо изученные) и РНК-зависимые, о которых известно значительно меньше.
Первые есть у всех живых существ от бактерий до человека включительно. Они синтезируют молекулы РНК на матрице ДНК. Получившиеся молекулы РНК либо используются как матрицы для синтеза белков (информационные, или матричные РНК), либо сами выполняют какие-то рабочие функции в клетке (структурные, или функциональные РНК).
РНК-зависимые РНК-полимеразы синтезируют РНК на матрице РНК, то есть попросту размножают молекулы РНК, как на ксероксе. Они есть у РНК-содержащих вирусов, а также у некоторых высших организмов: растений, грибов, простейших, круглых червей. Вирусы используют эти ферменты для копирования своего наследственного материала. У высших организмов роль РНК-зависимых РНК-полимераз другая: они размножают короткие молекулы РНК, участвующие в системе так называемой РНК-интерференции.
Британские и финские биологи при помощи сложнейших кристаллографических методов изучили трехмерную структуру РНК-зависимой РНК-полимеразы гриба Neurospora crassa и сравнили ее со структурой ДНК-зависимой РНК-полимеразы, которая была известна ранее. Оказалось, что трехмерные структуры этих ферментов удивительно похожи. Сходство оказалось столь высоким, что его нельзя объяснить случайным совпадением или параллелизмом: оно свидетельствует о едином происхождении этих белков. Что касается вирусных РНК-зависимых РНК-полимераз, то они устроены совершенно по-другому, и их происхождение, по-видимому, никак не связано с РНК-полимеразами высших организмов.
Первая РНК-полимераза, скорее всего, появилась очень давно — еще в эпоху «РНК-мира». По современным представлениям, жизнь на Земле началась с размножающихся (самореплицирующихся) молекул РНК. Первые живые организмы были «РНК-организмами» — это значит, что у них не было ни белков, ни ДНК. Молекулы РНК выполняли в этих организмах и роль хранителя наследственной информации (то, что сейчас делают молекулы ДНК), и все рабочие функции (то, что сейчас делают белки). После приобретения РНК-организмами способности к специфическому синтезу полипептидов (то, что называют генетическим кодом и аппаратом трансляции) рабочие функции стали постепенно переходить от РНК к белкам. Одним из первых белков, приобретенных РНК-организмами, должна была стать РНК-зависимая РНК-полимераза — фермент, обеспечивающий эффективное размножение этих организмов.
Сопоставив между собой структуры различных РНК-полимераз, исследователи попытались реконструировать их эволюцию. Полученные ими результаты свидетельствуют о том, что самая первая РНК-зависимая РНК-полимераза должна была быть чем-то вроде упрощенной версии исследованного ими белка. Активный центр этого древнейшего фермента содержал особую структуру — double-psi ?-barrel (DPBB). В дальнейшем в результате дупликации (удвоения участка генома) фермент как бы удвоился — у него образовалось две DPBB-структуры. Сначала они были одинаковыми, но затем стали немного различаться, поделив между собой функции.
Дупликация генов и их фрагментов — мощный инструмент эволюции, открывающий свободу для изменений дуплицированных фрагментов и приобретения ими новых функций. На этом этапе произошло разделение эволюционных путей: одни РНК-полимеразы остались РНК-зависимыми, а другие, благодаря изменениям, произошедшим в одной из двух DPBB-структур, стали ДНК-зависимыми, то есть приобрели способность синтезировать РНК на матрице ДНК. Это новшество, очевидно, было связано с превращением РНК-организмов в ДНК-организмы. Как хранилище наследственной информации ДНК намного эффективнее, чем РНК: они менее активны и более стабильны.
По мнению авторов, их открытие позволяет вставить еще одну маленькую детальку в великую головоломку происхождения жизни, постепенно складываемую учеными. Любопытно, что древнейший из ферментов — невирусная РНК-зависимая РНК-полимераза — сохранился не у самых примитивных живых существ, таких как бактерии и археи, а у более высокоорганизованных эукариотических организмов. При этом он сменил функцию: если в РНК-мире (как и у современных РНК-содержащих вирусов) он отвечал за копирование наследственной информации, то у современных эукариот он сохранился как часть системы РНК-интерференции, которая служит для регуляции работы генов и защиты от вирусов.
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
