В схемах Рис. 1, иллюстрирующих гипотезу возникновения современного способа кодирования белков, использован нынешний трехнуклеотидный (трехбуквенный) код. Однако на раннем этапе перехода к современному способу кодирования код, вероятно, был иным. Логично предположить, что число букв в нем было не три, а не менее чем семь-девять. Благодаря этому энергия комплементарного кодон-антикодонного взаимодействия могла обеспечить стабильность комплекса на время, необходимое для образования пептидной связи.
Большой размер раннего кодона мог также в отсутствие специального механизма обеспечивать соблюдение рамки считывания. При трехбуквенном коде все возможные 64 триплета задействованы, т. е. за исключением трех стоп-кодонов они могут быть узнаны соответствующими тРНК. Поэтому смещение рамки считывания в мРНК, кодирующей определенный пептид, на одну или две буквы не прерывало бы синтеза, но изменило бы последовательность кодонов, т. е. привело бы к появлению “неправильного” пептида. При современном синтезе белка на рибосомах осуществляется контроль начала считывания со стартового кодона, определяющего N-концевую аминокислоту и одновременно обозначающего начало рамки считывания. Однако трудно рассчитывать на то, что контроль соблюдения рамки считывания уже осуществлялся в ранних версиях современного способа кодирования. Роль контролирующего фактора в соблюдении рамки считывания могли сыграть большие размеры кодона. При семибуквенном коде и четырех узнаваемых элементах (азотистых основаниях) число возможных вариантов кодонов около 16 000. Очевидно, что число функционировавших РНК-адапторов и, соответственно, “осмысленных” (соответствовавших определенным аминокислотам) кодонов было многократно ниже. Абсолютное большинство потенциальных кодонов не имело адапторов. Поэтому вопрос об использовании “неправильной” рамки считывания вообще не стоял: существовала единственная рамка, обеспеченная адапторами на всем протяжении. В ней осуществлялся синтез запрограммированного пептида.
Впоследствии, когда сформировался действующий поныне аппарат синтеза белков (Рис. 1В), включающий рибосому, которая наряду с другими функциями осуществляет узнавание стартового кодона в мРНК, контролирует последовательное подключение “заряженных” аминокислотами тРНК и стабилизирует кодон-антикодонное взаимодействие до момента формирования пептидной связи, размер кодона был редуцирован до необходимого минимума — триплета. Возможный ход эволюции генетического кода рассматривался ранее (Fitch and Upper, 1987).
3.3. Трансформация мира РНК в мир РНК-ДНК
Новый скачок в эволюции клетки связан с появлением ДНК и переходом к ней функций основного носителя генетической информации. Эволюционно этот переход был обусловлен меньшей склонностью ДНК к гидролизу (Бреслер, 1963) и, соответственно, более высокой прочностью полинуклеотидной цепи. Последнее обстоятельство позволяет ДНК формировать значительно более длинные молекулы, чем это возможно у РНК. В современной клетке только ДНК является автореплицирующейся молекулой и присутствует в форме двунитевой молекулы (биспирали). Все клеточные РНК синтезируются в форме однонитевых молекул путем комплементарного копирования “смысловой” нити двунитевой ДНК-матрицы.
Именно двунитевая структура ДНК повлекла формирование целой серии репарационных систем, способных узнавать и устранять дефекты в одной нити, используя информацию, которую несет комплементарная нить. Эти преобразования в структуре и метаболизме клетки, обеспечившие повышенную устойчивость ее генетического аппарата, были реализованы в хромосомах, содержащих двойную нить ДНК протяженностью в несколько миллионов нуклеотидных звеньев. Резко возросло и перестало быть лимитирующим фактором в эволюции общее количество генетического материала, которым способна управлять клетка (т. е. сохранять, реплицировать, эквивалентно распределять в потомстве, контролировать считывание информации). В современном мире на первом месте — скорость и контролируемость метаболического процесса. Поэтому в генах, помимо структурных участков, кодирующих белки или функциональные РНК (транспортные, рибосомные и др.), присутствуют регуляторные области, которые при участии белков активаторов и репрессоров контролируют транскрипцию.
Сложные и почти безошибочные процедуры синтеза белка и репликации ДНК — лучшие подтверждения высокой организованности молекулярно-биологических процессов в современном мире. Они осуществляются при протягивании кодирующих матриц (соответственно, информационной РНК и разделенных родительских нитей ДНК), подобно ленте конвейера через синтезирующий аппарат, смонтированный в специальных органеллах, рибосомах и реплисомах, которые можно считать молекулярными фабриками или, что звучит более современно, нанофабриками. Редкие ошибки, допускаемые при воспроизведении ДНК ферментами ДНК-полимеразами и корректазами, приводят к включению в синтезируемую нить нуклеотидного звена, некомплементарного матричному звену. Они являются теми самыми мутациями, которые лежат в основе Дарвиновской эволюции. Если бы механизм воспроизведения ДНК стал абсолютно точным, то эволюция сошла бы на нет. Жизнь могла бы сохраняться только при неизменных условиях среды, что практически невозможно. В основных чертах, работа внутриклеточных молекулярных фабрик — синтез белка на рибосомах (Watson, 1963; Гаврилова и Спирин, 1967; Кириллов и Семенков, 1984; Spirin, 2004) и полуконсервативная репликация ДНК в реплисомах (Мосевицкий, 1976; Alberts, 1984; Kornberg, 1985) — описана более тридцати лет тому назад, однако некоторые важные детали остаются невыясненными и поныне.
Отпечатки клеток, которые уже были похожи на современных бактерий, обнаружены в осадочных породах, возраст которых достигает 3.5 млрд лет (Schopf, 1993, 2006). Есть основания полагать, что генетический код, оформившийся уже тогда или даже раньше, впоследствии не претерпел существенных изменений. Высокую стабильность генетического кода можно объяснить опасностью любой перекодировки — изменения назначения того или иного триплета. Перекодировка возможна вследствие мутирования гена тРНК в участке, представляющем антикодон. Очевидно, что мутировавшая тРНК будет узнавать в мРНК новый триплет (кодон), соответствующий измененному антикодону. При этом мутантная тРНК сохраняет специфичность по отношению к аминокислоте. Это приведет к тому, что практически все белки окажутся множественно мутантными, что неизбежно расстроит метаболизм клетки и вызовет ее гибель.
После возникновения праклетки (стволовой линии) эволюция проявилась в активном видообразовании, причем были и такие кардинальные решения, как возникновение около 1.7 млрд лет тому назад эукариотических (снабженных ядром) клеток, а затем на их основе — всего разнообразия многоклеточных организмов (см. Hedges et al., 2004). Вместе с тем, не известно ни одного случая отступления от уже присутствовавших в пралинии базовых атрибутов современной генетики и молекулярной биологии. Так, практически в неизменном виде сохранен общий для всего живого мира Земли генетический код. Общими являются также механизмы репликации ДНК, синтеза РНК (транскрипция), образования белков (трансляция) и многие другие биохимические процессы. Определенные различия, возникшие уже в разделившихся ветвях потомства праклетки и потому выявляемые при сравнительном анализе (см. Раздел 7.3), только подчеркивают универсальность главных генетических принципов и биохимических механизмов.
Было бы опрометчиво утверждать, что определенные изменения этих принципов и механизмов невозможны. Современный мир принято считать миром ДНК. Переход от мира РНК к этому миру зафиксирован в ряде сохранившихся поныне процедур, в которых при производстве специфичных для ДНК структур используются их аналоги из мира РНК. Так, предшественники ДНК дезоксирибонуклеотиды синтезируются из рибонуклеотидов, а дезоксирибонуклеотид, несущий характерное для ДНК азотистое основание тимин, образуется из дезоксирибонуклеотида, сохранившего характерное для РНК основание урацил, путем метилирования последнего. Однако переход от мира РНК к миру ДНК остался незавершенным. В современном мире ДНК переняла функцию сохранения наследственной информации, в то время как вся оперативная деятельность осталась за РНК. Поэтому более правильно именовать его РНК-ДНК-миром. Само двойное наименование указывает на промежуточное состояние этого мира. Переход к истинному миру ДНК, в котором РНК утратила бы все свои функции и была бы исключена из клеточного метаболизма, означал бы новый этап рационализации этого процесса, а следовательно, и жизнедеятельности всей клетки, т. е., казалось бы, является перспективным с точки зрения эволюции. Недавнее обнаружение у ДНК способности выполнять ферментативные функции (Garibotti et al., 2006, 2007; Lu and Liu, 2006) косвенно подтверждает потенциальные возможности мира ДНК. С другой стороны, сам факт не только сохранения в течение более 3.5 млрд лет, но и бурного развития “промежуточного” мира РНК-ДНК свидетельствует о его высокой эволюционной стабильности. Однако очевидное преуспевание мира РНК-ДНК отнюдь не означает, что эволюция не предпримет попытки перейти к следующему миру, если сочтет его более рациональным. Появление другого, эволюционно предпочтительного генетического аппарата, в котором не останется места для РНК, означало бы переход к новым формам жизни и в перспективе исчезновение нас, людей. Впрочем, такая эволюция в ее начальной стадии возможна только на уровне бактерий, а затем организмам с новой генетической системой предстояло бы пройти весь путь эволюции заново. Возможно, уже сейчас где-то на дне водоема или на почве образовался мутантный клон бактерий, начавших движение в направлении “чистого” мира ДНК, принципиальная возможность существования которого (правда, как предшественника мира РНК) уже рассматривалась (Dworkm et аl., 2003). Первоначально такие бактерии представляли бы опасность только в случае их болезнетворности. Однако развитие мира ДНК (пока, повторяем, только гипотетическое) грозит вытеснением предшествующему миру РНК-ДНК. Именно так происходило ранее — новый мир полностью замещал собою мир-предшественник. Однако ныне ситуация коренным образом изменилась. Принадлежащий миру РНК-ДНК человек вместе с разумом приобрел способность анализировать ситуацию и в случае необходимости принимать меры к ее изменению. Очевидно, что и в этом случае человечество не осталось бы в роли стороннего наблюдателя и взяло бы под контроль параллельно развивающийся “чужой” мир. Однако это уже из области фантастики.
