Рибосомы – это рибозимы. Вирусы делают белки!
Как образуются белки? Синтез белка является отличительной чертой эволюции и разделяет два мира – живой и мертвый. Но здесь нас ждет неожиданный поворот: вирусы, которые часто относят к «мертвому» миру, или, точнее, вироиды, являются наиболее и даже единственными реальными необходимыми для производства жизни элементами! Вироиды необходимы для жизни, так как являются ключом к синтезу белков.
Т. Чех и С. Альтман (лауреаты Нобелевской премии 1989 г.) поместили рибозимы в центр биологического мира. А потом еще один ученый получил Нобелевскую премию за изучение рибосом – Томас Стейц (2009 г.). Результаты его наблюдений свидетельствуют о том, что рибосомы, участвующие в синтезе белков, функционируют совсем не так, как принято считать. В берлинском Институте молекулярной генетики Общества Макса Планка предположили, что в синтезе белков главную роль играют сами белки. Рибосомы состоят примерно из ста белков, которые стали предметом интенсивных и широкомасштабных исследований. На каждого моего берлинского коллегу приходилось по одному белку, а для получения антител использовали несколько сот овец. Они щипали травку на поле аэропорта Берлин-Темпельхоф и подходили для получения антител. Я контрабандно привезла несколько овец, которых использовали для получения антител к онкогенам, и подкупила пастуха, чтобы он за ними приглядывал. Чтобы охарактеризовать сто рибосомальных белков и структуру рибосом, много внимания уделяли секвенированию белка. И это правильно, но основными участниками этого процесса являются не белки, а РНК, или, точнее, каталитические РНК, хорошо спрятанные внутри огромных мультипротеиновых комплексов в рибосомах. Том Чех ввел в употребление выражение «рибосомы – это рибозимы». РНК – это рабочая лошадка, а не множество белков, которые служат исключительно поддерживающими белками и обеспечивают надлежащую конформацию РНК. Все белки были кристаллизованы одним способом: их выделили из архей, о которых я впервые услышала 30 лет назад. Термоустойчивость архей повышает их стабильность и упрощает процесс кристаллизации для определения структуры. И это, наконец, привело к присуждению в 2009 г. Нобелевской премии Аде Йонат и другим ученым. Йонат, исследователь из Израиля, была частым гостем в Берлине. Она обнаружила «туннель», проходящий через центр рибосом, который может заполняться вновь образованными растущими аминокислотными цепочками, – изображение, которое когда-то украшало обложку журнала . В детстве у нас была похожая на гриб красная деревянная катушка для вязания с четырьмя гвоздями, и мы при помощи вязального крючка вывязывали цепочку петель, которая затем появлялась из нижней части катушки – так рибосома высвобождает увеличивающуюся полипептидную цепочку. В данном случае рука вяжущего человека соответствует рибозиму, а все остальное относится к рибосоме. Ада Йонат в своей стокгольмской нобелевской лекции указала, что отверстие было сделано из РНК, а не из белков. Оно образовалось вследствие развития более примитивных проторибосом в процессе эволюции – своего рода священный Грааль, лежащий в основе механизма синтеза белка. РНК каталитически активна и напоминает вироиды. Вирусоподобный элемент, вироид, составляет основу рибосом – довольно неожиданно, но, похоже, никто на это не обратил внимание. Несколько сот рибосомальных белков являются лишь «строительными лесами» и «слугами», помогающими рибозиму правильно выполнить работу. Рибосомы различны у каждого бактериального типа, и один из их РНК-компонентов () служит основой для их идентификации и классификации. Рибосомы являются мишенями для создания жизненно важных антибиотиков, некоторые из которых занимают отверстие и тем самым блокируют синтез белка. Поэтому бактерии затем погибают, а мы выживаем. Устойчивость к антибиотикам – одна из важных проблем современности, а мутации, направленные на то, чтобы с помощью антибиотиков заблокировать это отверстие, – один из подходов к решению этой проблемы. Если он сработает – прекрасно! В настоящее время Ада Йонат изучает этот подход, но она и раньше была в авангарде подобных исследований.
Лидером таких исследований в Берлине был ныне покойный Хайнц-Гюнтер Виттманн. Достижения всей его научной деятельности заложили основу для этого успеха. Он привез все белки в Гамбург, где Ада Йонат в DESY (Немецком электронном синхротроне), а также в Израиле провела кристаллографический анализ, чтобы определить структуру рибосом. Я помню, как для этих целей в Обществе Макса Планка в Берлине привезли археи, которые могли расти при 100 °С. Была надежда на то, что их рибосомные белки окажутся более стабильными и будут лучше кристаллизоваться, что и произошло. Для того чтобы протестировать способность рибосом кристаллизоваться в условиях низкой гравитации, рибосомы даже побывали на околоземной орбите. Но эксперимент оказался неудачным. В этом полете «пассажиром» был и мой образец обратной транскриптазы (ОТ), но он тоже не кристаллизовался (ОТ кристаллизовали позднее, используя термофильные археи ). Мне следовало бы додуматься и самой выделить фермент обратную транскриптазу из архей для кристаллизации, но я не дошла до этого. Я просто это упустила из вида! Кристаллические структуры являются основой создания лекарств, поэтому они так важны.
Как ни странно, но взаимосвязь между рибозимами и белками можно проследить и сегодня на примере некоторых белков с небольшим РНК-хвостом, как будто его там забыли! Может быть, это рудимент длительной эволюции? Первый синтез белка начался по-другому, с участием РНК и некоторых аминокислот, присоединяемых к нему (я так полагаю). Последнее событие привело к образованию «только» белков. И, возможно, где-то на этом пути появился данный странный белок с присоединенным к нему небольшим РНК-фрагментом. Одной из таких химерных конструкций РНК-содержащих белков является витамин В а другой – ацетил-CoA. Эти две молекулы очень важны для клеточного метаболизма, и теперь они, возможно, поведают нам, как образовались. Белки с сохранившимися хвостами РНК – это чем-то напоминает наш аппендикс. Такие переходные состояния довольно интересны и информативны, поскольку они могут рассказать нам о нашем прошлом и об эволюции от РНК к белкам. Я бы хотела поместить и этих двух химер в свою коллекцию диковинных вещей и хранить их в своей .
Как началась ДНК? Для синтеза белка ДНК необязательна, для этого требуется РНК. Синтез белков – поворотный пункт в эволюции жизни, но на первых этапах развития жизни ДНК не требовалась. В нашем мире ДНК не является предшественницей РНК или белков. Как можно удалить кислородный элемент из РНК для получения ДНК ()? Никто не знает! Сегодня это может сделать фермент рибонуклеотид-редуктаза. Неизвестно, когда возник такой ферментатический белок. При наличии надлежащих строительных блоков, моей любимой молекулы обратной транскриптазы, можно было получить ДНК из РНК, но когда это произошло? (Сегодня ОТ потребуется кодирующая ДНК для синтеза мРНК и белка.)
Существуют дезоксирибозимы, небольшие каталитические ДНК, которые могут расщеплять и присоединять так же, как рибозимы, без белков, но сегодня они не встречаются в природе. Их поиском занимается Джек Шостак, на которого часто ссылаются. Он показывает, что РНК может расти и без белков, в частности полимераз. А как на первых этапах формирования жизни могла появиться ДНК при отсутствии белков РНК? Может быть, ему это удастся выяснить. Исследователь из Парижа Патрик Фортер считается первым ученым, заявившим о существовании трех РНК-содержащих клеток у бактерий, архей и эукариотов, которые он назвал «рибовироклетки», поскольку все они являются вирус-производящими клетками. Так откуда же взялась ДНК? Таким образом, вопрос о происхождении ДНК остается открытым, что довольно странно, учитывая важность этой молекулы. Одно можно сказать без сомнения: обратная транскриптаза была главной движущей силой при переходе от мира РНК к миру ДНК. В 2015 г. обратную транскриптазу обнаружили как наиболее распространенный белок в геномах, клетках, различных организмах, включая образцы из океана. Обратная транскриптаза столь часто встречающийся фермент, так как она является частью повсеместно встречающихся ретротранспозонов, «прыгающих» генов. Должно быть, «прыжки» продолжаются в большом количестве. По мнению некоторых исследователей, это был самый главный, ключевой фермент для развития жизни в процессе эволюции. В настоящее время это подтверждено данными! Примечание: другие исследователи так думают, и, конечно же, я тоже, однако я могу быть необъективной, поскольку занимаюсь изучением обратной транскриптазы последние 45 лет. Какой удивительный путь от первого открытия этого фермента до понимания, что он самый распространенный белок в мире!
