Тройка, шестерка, код [ 2 ]
Галина Костина
Основной гипотезой происхождения жизни считается гипотеза РНК-мира. Однако ученый из Института биологии гена РАН Анатолий Альтштейн считает, что она не объясняет главного — становления генетического кода
Анатолий Альтштейн знает, как возник генетический код
Они вдвоем молча стояли на цветущем лугу. Щемящий запах нагретой травы, цветов, порхание бабочек, легкое жужжание насекомых и теряющиеся в бело-голубой дымке просторы были сильнее слов. И все же он не утерпел: «Представляешь, все это великолепие родилось из крохотного протовироида с ДНК из трехсот нуклеотидов!» Жена с досадой ткнула его в грудь кулачками.
«Человеку неуютно на Земле без понимания, как на ней появилась жизнь. Но самое забавное, что его успокаивает любое объяснение, будь оно религиозным или материалистическим. Религиозное тоже годится, но в нем по определению не объясняется, как Бог это сделал. Научные теории пытаются предлагать механизмы, но они практически всегда упираются во множество препятствий. Я считаю, что сейчас мало-мальски правдоподобными выглядят две гипотезы: РНК-мира и моя», — заявляет главный научный сотрудник Института биологии гена РАН профессор Анатолий Альтштейн, придумавший гипотезу происхождения первого живого организма, названного им протовироидом. Его гипотеза объясняет появление первого гена и генетического кода.
Миллиард лет без следа
Считается, что нашей Земле 4,6 миллиарда лет. Homo sapiens, который сегодня тщится решать вопросы своего происхождения, разошелся с обезьяной всего 5 миллионов лет назад, млекопитающие, к которым мы относимся, появились примерно 300 миллионов лет назад, а первые позвоночные — примерно 500–600 миллионов лет назад. Чем глубже погружаются исследователи в толщу времен, тем труднее им находить следы жизни. Но они продолжают рыть в прямом и переносном смысле то в горах Австралии, то в Африке, соскабливая породы и изучая невидимые глазу вкрапления с помощью самого современного оборудования. Там они ищут следы первых прокариотов — простейших одноклеточных организмов, не имеющих ядра. Последние данные, полученные на основании изучения остатков стабильного и радиоактивного изотопов углерода в скалах Гренландии, позволяют говорить о том, что нечто живое, оставившее в следах своей жизнедеятельности эти изотопы, уже существовало 3,7 миллиарда лет назад. Но если следы первых прокариотов можно «пощупать», то о жизни первых живых существ, длившейся около миллиарда лет, можно только гадать.
Первой научной гипотезой происхождения жизни ученые считают гипотезу нашего соотечественника Александра Ивановича Опарина. Именно он сделал попытку объяснить появление первых органических соединений из неорганических. И хотя Опарин, скорее всего, был неправ, считая первыми живыми организмами маленькие обособленные кусочки органического геля — коацерваты, в которых могли образовываться белковоподобные структуры, он выступил своеобразным катализатором этого научного направления. Многочисленные эксперименты, проведенные позже, включая знаменитые опыты Стэнли Миллера, показали, что в пробирке из смеси аммиака, метана, водорода и паров воды под влиянием искры или ультрафиолета могут возникать аминокислоты — кирпичики для белков. В ходе многочисленных опытов, проделанных различными исследовательскими группами, получали не только аминокислоты, но и азотистые основания, сахара, жирные кислоты, нуклеотиды (кирпичики для ДНК и РНК). Можно предполагать, что на пребиотической Земле существовал обмен веществ без участия живых организмов (абиотический метаболизм), в результате которого образовывались и распадались тысячи органических веществ. Есть основания считать, что среди них преобладало несколько десятков тех, которые были нужны для возникновения жизни. Могли появляться похожие на клетки, но лишенные генов образования — липидные пузырьки (липосомы). И все же это были разрозненные части жизни, но не сама изощренно организованная жизнь.
С момента открытия структуры и роли ДНК в клетке стало ясно, что все предшествующие размышления о происхождении жизни не годятся на роль гипотез, объясняющих появление первых живых существ, обязательной составной частью которых должны быть гены. Стало понятно, что главным жизненным процессом является воспроизводство генетической информации — репликация (синтез ДНК на матричной ДНК). Помогает этому синтезу специальный белок — фермент полимераза. А реализация генетической информации в виде белков происходит в два этапа: РНК синтезируется на ДНК, переписывая нужную информацию с гена (транскрипция), и затем эти РНК служат матрицами для построения белков в особых молекулярных машинках — рибосомах (трансляция). Для превращения генетической информации, которая содержится в состоящей из нуклеотидов ДНК, в состоящие из аминокислот белки природа использует триплетный генетический код. Каждой аминокислоте соответствует свой триплет (тройка нуклеотидов) или два-три триплета. Но это современная система, сложная хотя бы тем, что в ней участвуют два больших мира макромолекул: полинуклеотиды (ДНК и РНК) — носители информации и полипептиды (белки), выполняющие практически все функции в организме благодаря своей химической реактивности. Как заметил однажды один из первооткрывателей структуры ДНК Фрэнсис Крик, к проблеме происхождения жизни было бы гораздо легче подойти, если бы существовала лишь одна семья макромолекул.
Тот же Крик вместе с американским химиком Лесли Оргелом предположили, что первой появилась РНК. Гипотезу РНК-мира чуть позже развили нобелевцы Томас Чех, Филипп Шарп и Уолтер Гилберт. Гипотеза была и все еще остается заманчивой. В самом деле, РНК может быть не только переносчиком и переводчиком, но и носителем информации (как в некоторых вирусах). Но для воспроизведения ей нужен фермент, слишком сложный, чтобы он мог случайно собраться из аминокислот. Триумфом приверженцев РНК-мира стало открытие РНК с ферментативной активностью — их назвали рибозимами. Многообразие РНК (есть информационная, рибосомная, транспортная, различные малые РНК) и их участие во многих жизненных процессах — еще один аргумент в пользу этой гипотезы. Структура транспортной РНК, которая работает в паре с рибосомой при сборке белков из аминокислот по информации, подносимой информационной, или матричной, РНК, говорит о том, что она могла быть первой молекулой, решающей одну из самых больных задач — становления генетического кода: ведь она связывает триплет нуклеотидов с соответствующей аминокислотой. Но, как утверждает Альтштейн, у этой гипотезы есть свои слабые стороны.
В современном мире цепочки РНК и ДНК состоят из так называемых правых нуклеотидов (в пребиотическом мире должны были существовать как правые, так и левые изомеры, цепочки с одинаковыми изомерами называют хирально чистыми). Так вот, вероятность того, что из одиночных правых и левых нуклеотидов может сложиться хирально чистая цепочка РНК, содержащая не менее 200, а лучше 300 нуклеотидов, крайне низка. Цепочка же из разноизомерных нуклеотидов никогда не сможет быть матрицей, на которой будут синтезироваться следующие цепочки.
У Альтштейна есть вопросы и к каталитическим свойствам рибозимов. Дело в том, что современные белковые ферменты, участвующие в репликации и транскрипции, — так называемого процессивного типа: они сидят на матричной ДНК и синтезируют комплементарную цепь, ловко нанизывая на матрицу один за другим нуклеотиды. Одна молекула такого фермента способна копировать длинную матрицу. РНК-фермент — рибозим другого типа, он подтаскивает к матрице пару нуклеотидов, цепляет, потом отправляется за следующими. С такой скоростью у него никогда не получится комплементарная цепочка: все развалится, пока он будет так ползать. Альтернатива — множество рибозимов, которые будут одновременно пристраивать к матрице сразу много нуклеотидов.
И наконец, как говорит Альтштейн, королевский вопрос: как произошло становление целостной генетической системы, включая генетический код и синтез белка?
Туманные предположения, что код однажды сложился случайно и зафиксировался, возможно, кого-то и устроят, но только не Альтштейна, у которого есть вполне определенная версия, названная им гипотезой прогенов. Она постулирует, что первой генетической системой был один ген — цепочка однонитевой ДНК и белковый фермент, который этот ген кодирует. Фермент способствует воспроизводству генетической системы. Ген же собирается не из одиночных нуклеотидов, как в гипотезе РНК-мира, а из прогенов — триплетов нуклеотидов с хвостиком в виде «неслучайной» аминокислоты. Этот проген, собственно, и решает проблему генетического кода — соответствия тройки нуклеотидов определенной аминокислоте. А структура прогена позволяет синтезировать одновременно как полинуклеотид (ДНК), так и полипептид (фермент).
А прогены лучше
Все началось с любви к вирусам. На первом курсе мединститута Альтштейн делал доклад, в котором утверждал, что вирусы — живые организмы. «Тогда шли бурные споры на тему вирусов, вещество это или существо, — рассказывает он. — И я тогда поддерживал точку зрения некоторых ученых, что вирусы могли быть первыми живыми организмами. Хотя доводов в пользу этой гипотезы было намного меньше, чем сейчас, я страстно защищал такой взгляд». После института Альтштейн стал вирусологом и занимался то оспой, то клещевым энцефалитом, то аденовирусами, а более всего — зловредными онкогенными вирусами. На мысли о происхождении жизни его навел известный биолог или физикохимик, как он себя называл, Лазарь Меклер, придумавший позже гипотезу стереохимического кода белков. В 1979 году Меклеру поручили быть редактором двух номеров журнала Менделеевского общества, посвященных зарождению жизни. Меклер писал заглавную статью, а Альтштейну и еще одному известному вирусологу Николаю Каверину поручил статью о происхождении вирусов. Два вирусолога разделили тему. Каверин, как большой знаток современной истории вирусов, писал о своем, а Альтштейн должен был углубиться в гипотетическое начало начал. На момент получения задания никакой гипотезы, естественно, не было, были лишь некие интуитивные предположения. Тогда только формировались представления о происхождении жизни как происхождении генетической системы и шли споры о том, какая молекула была первой — ДНК, РНК или белок, но многие уже склонялись к идее о первенстве РНК. Кстати, на тот момент еще даже не были открыты рибозимы.
Альтштейн бился над традиционным представлением, что полинуклеотиды собираются из отдельных нуклеотидов, а полипептиды — из аминокислот. Но как же тогда возникает связь между этими последовательностями, которая позволяет гену содержать информацию о конкретной последовательности конкретного белка? Злой от собственного мозгового бессилия, Альтштейн лег спать, и во сне ему явились плавающие нуклеотиды и аминокислоты, причем пара нуклеотид плюс аминокислота соединялась с такой же парой, потом со следующей, и так получались цепочки из нуклеотидов и аминокислот одновременно. Он проснулся. Было раннее утро. И Альтштейн набросился на эту идею одновременного синтеза полинуклеотида и полипептида. Именно на идею, потому что приснившиеся ему парочки не решали вопроса генетического кода. Зачем нужен был одновременный синтез бессмысленной цепочки нуклеотидов и бессмысленного белка?
Он подумал, что в конечном итоге наилучшим вариантом стала бы тройка нуклеотидов с физико-химически близкой этим нуклеотидам аминокислотой. Он как бы покопался в тех первых органических соединениях, которые могли возникнуть на первозданной Земле, и отобрал для этой затеи двойку нуклеотидов и нуклеотид с аминокислотой. «Нужно было объединить двойку с третьим нуклеотидом. Здесь важную роль играет аминокислота при этом нуклеотиде, которая взаимодействует с первой двойкой. Стереохимический анализ показал, что некоторые пары нуклеотидов и определенные аминокислоты взаимодействуют между собой лучше, чем другие. Поэтому я называю в этом сочетании аминокислоту неслучайной, ей “нравятся” эти нуклеотиды, а она “нравится” им», — объясняет он, почему эти соединения могли бы удачно связаться.
Но пока связь в такой тройке слабая. Два нуклеотида связаны сильной ковалентной связью, а с третьим и аминокислотой — слабыми физико-химическими. Чтобы укрепить и эту связь, нужна еще одна тройка — комплементарная. Получится шестерка, которую будут поддерживать водородные связи между комплементарными нуклеотидами. Такая конструкция продержится дольше, чем нестабильная тройка, и даст время и возможность связать динуклеотид с третьим нуклеотидом ковалентной связью. Потом тройки разойдутся, и они уже будут стабильными. Эти тройки Альтштейн позже назвал прогенами. По его мнению, прогены решали многие задачи, которые оставались под вопросом в гипотезе РНК-мира. Во-первых, отбор веществ. У Альтштейна он начинает действовать сразу: в комплементарную шестерку могут войти только «правильные» вещества (нуклеотиды и аминокислоты), которые затем будут использоваться для возникновения и воспроизведения первой генетической системы. В тройки и потом в ген отбираются не рибонуклеотиды (из которых получается РНК), а дезоксирибонуклеотиды (из которых получается ДНК), потому что химически рибонуклеотиды не подошли бы для такой конструкции. И никакого одновременного синтеза гена и белка не получилось бы. Во-вторых, структура прогена решает проблему генетического кода — триплет нуклеотидов соответствует «неслучайной» аминокислоте.
И в-третьих, когда прогены начнут собираться в цепочку (подробнее см. схему), будет идти одновременная сборка полинуклеотида — будущего гена и полипептида — белка-фермента. Когда сборка завершится, этот белковый фермент будет процессивным в отличие от рибозима. Он останется на гене и будет потом участвовать в синтезе комплементарных цепочек и одновременно белков. Так появится первая генетическая система.
Когда Каверин прочитал часть статьи, написанную Альтштейном, он заметил: «Ну ты даешь! Нас всего лишь просили о происхождении вируса подумать, а ты пытаешься решить проблему происхождения жизни!» Меклеру идея тоже понравилась, и статья была напечатана.
Заводская штамповка
На несколько лет Анатолию Давидовичу пришлось оставить свою гипотезу, хотя некоторые вопросы в ней оставались не до конца «докрученными». Дочь Альтштейна стала изучать иврит. КГБ же хотел вытрясти из нее «имена, адреса и явки». Альтштейн вступился, в результате чего его уволили из Института вирусологии по сокращению штатов. Сказали, что онковирусы, которыми он в основном занимался, больше не интересны. Были протесты, хождения по инстанциям, письма. Бюрократия работала вхолостую. Но Альтштейн сейчас с теплом вспоминает, как за него с риском для себя вступились многие ученые. Президенту Академии наук Анатолию Александрову и его заму Юрию Овчинникову удалось пристроить Альтштейна в Институт общей генетики. Сначала он работал там на птичьих правах, потом, когда Овчинников как член ЦК окончательно отбил его от гэбэшников, — с группой, перешедшей из Института вирусологии.
К гипотезе он вернулся в 1987 году, когда академик Александр Спирин, также увлеченный проблемами происхождения жизни, но придерживающийся гипотезы РНК-мира, ставшей в ту пору уже главной, пригласил его на семинар в свой институт в Пущино. После доклада специалисты по стереохимическому анализу предложили Альтштейну проверить на моделях, могли ли существовать его умозрительные конструкции в природе. Мол, буковки-то на доске хорошо писать, а ты попробуй трехмерные структуры поскладывать. В этом ему помогал завлабораторией Валерий Лим. Для начала он сам покрутил модели и сказал: я думал сразу развенчать, но нет, может, и получится, давайте сами поскладывайте, а потом вместе посмотрим. «Я складывал, крутил, вертел: есть множество комбинаций этих моделей, но что-то плохо клеилось, — рассказывает Альтштейн. — Возбужденный, я ушел домой, и вы будете смеяться — мне снова приснился сон: сначала выплыл круглый красный атом кислорода — как в пластиковой модели, а потом к нему подплыла аминокислота. Еле дождался утра, сидел под воротами, пока открыли институт и лабораторию, и кинулся к моделям — все получалось. Пришел Лим, глянул и ответил: ну, так-то лучше будет, продолжайте».
Альтштейн оттачивал свою гипотезу, постоянно консультируясь с химиками. В итоге он сформулировал идею прогенов, из которых получается первая генетическая система — ген и фермент, она же — первый живой организм, названный Альтштейном протовироидом по аналогии с вирусом. «Потому что протовироид на первых порах не имел своего жилища и так же, как вирус, вел прерывистый образ жизни», — объясняет он. Предполагается, что протовироид возникает в пузырьке-липосоме, потому что именно там и могут при существенной концентрации веществ сформироваться тройки нуклеотидов, соединенные с «неслучайной» аминокислотой (прогены), а из них — ген с ферментом. На этом этапе липосома является не частью первого живого организма, а только условием его существования. Она быстро разрушается, и протовироид вынужден искать новый гостиничный номер — новую липосому в момент ее возникновения.
Однажды появившись, протовироид будет воспроизводить себя, используя прогены в качестве «пищи». В липосоме будет появляться все больше протовироидов. Однако размножение одного гена и одного фермента, пусть даже они и называются первым живым организмом, пока кажется малоперспективным процессом, поскольку самые простые современные организмы содержат не меньше 250 генов. «Но ведь на этом развитие не останавливается, — объясняет Альтштейн. — Система будет эволюционировать по Дарвину, возникнет протоклетка». Но дальнейшая эволюция Альтштейна уже не возбуждает. Главное — запуск системы минимального самовоспроизводящегося генома — протовироида. Это было тем гениальным событием природы, после которого дальнейшие эволюционные шаги — почти заводская штамповка.
http://www.expert.ru/printissues/expert … terka_kod/
