В начале этой главы мы рассказали о том, как ошеломляющая сложность современной жизни воздвигла понятийный барьер, который годами мешал логическим рассуждениям о ее происхождении. Когда мы поняли, что первые живые организмы наверняка были очень простыми, а РНК играла в них главную роль и как средство хранения информации (хоть и не такое надежное, как ДНК), и как молекулярная основа первых ферментов-катализаторов (хоть РНК и не такой хороший катализатор, как белковые ферменты), это позволило ученым взглянуть на все по-новому, а упростившаяся картина обеспечила научный прорыв. В конце шестидесятых годов прошлого века трое ученых первыми поняли всю важность гипотезы, которую впоследствии назвали миром РНК. Это были Карл Вёзе, в дальнейшем прославившийся своими трудами по построению эволюционного древа жизни, Фрэнсис Крик, один из первооткрывателей структуры ДНК, и Лесли Орджел, один из трех первопроходцев в области предбиологической химии (о нем мы упоминали в главе 1). Все трое считали, что раз цепочки РНК умеют складываться в сложные трехмерные формы, из этого следует, что РНК может действовать как фермент, то есть способна катализировать химические реакции, совсем как белки. Из этого следовали самые головокружительные выводы: ведь если РНК способна катализировать собственный синтез, происхождение жизни сводится к происхождению самовоспроизводящейся РНК, то есть к РНК-репликазе (ферменту, катализирующему репликацию РНК на матрице РНК). К сожалению, в те годы все внимание научного сообщества было сосредоточено на разгадке тайн белковых ферментов, поэтому никто не воспринял всерьез мысль, что РНК может действовать как фермент, и этот важнейший ключ к происхождению жизни так и оставался незамеченным еще лет пятнадцать.

Новость, что молекулы РНК могут действовать как ферменты, поразила научное сообщество как гром среди ясного неба лишь в 1982 году. Тогда две независимые группы ученых открыли ферменты РНК, которые прятались у всех на виду, в двух совсем разных областях современной биологии. Том Чек, биохимик из Университета штата Колорадо в Боулдере, несколько лет изучал процессы сплайсинга РНК. Сплайсинг РНК сам по себе довольно загадочный процесс. Клетки копируют информацию, хранящуюся в ДНК, в длинные цепочки РНК, а потом удивительным образом вырезают и выбрасывают куски этой цепочки, разрезая ее дважды в середине и склеивая края разреза. Сплайсинг РНК распространен в биологии повсеместно, но его точный механизм оставался неизвестным вплоть до начала восьмидесятых годов прошлого века, и многие лаборатории наперегонки изучали его. Том Чек решил изучить сплайсинг у особого микроорганизма, инфузории с довольно заковыристым названием Tetrahymena thermophila – это ресничный одноклеточный организм, который часто обнаруживают в лужах и озерцах. У Tetrahymena thermophila есть одно удобное свойство: он создает очень много определенной РНК, которая затем подвергается очень простому сплайсингу, что делает эту инфузорию идеальным модельным организмом для его изучения. В то время считалось, что процесс сплайсинга проводят белковые ферменты, поскольку так обстояло дело со всеми остальными известными химическими реакциями в клетках. В соответствии с этой гипотезой Чек решил выделить белки, отвечающие за сплайсинг. Для этого ему требовалось сначала выделить не подвергшуюся сплайсингу РНК, а потом снова добавить к ней клеточные белки в надежде увидеть сплайсинг в реальном времени. Однако, к вящей своей досаде, Чек так и не смог отделить процесс сплайсинга от самой РНК. После долгих и упорных безуспешных попыток он пришел к убеждению, что РНК сама катализирует собственный сплайсинг.

Нет нужды говорить, что научное сообщество отнеслось к такому выводу с некоторым скептицизмом, поскольку оно еще не сомневалось, что все ферменты – белки. Критики даже заявили, что Чек просто не сумел очистить свой препарат РНК от белка-катализатора. Это невероятное предположение подтолкнуло Чека к тому, чтобы сделать все иначе. Он решил получить не подвергшуюся сплайсингу РНК не из клеток Tetrahymena, поскольку такой процесс и правда мог привести к непреднамеренному загрязнению препарата тем самым катализатором сплайсинга, ферментом, который Чек так долго искал. Вместо этого он создал не подвергшуюся сплайсингу РНК в пробирке, из ДНК и всего лишь одного бактериального фермента, который мог транскрибировать ДНК в РНК. И тогда Чек сделал поразительное открытие: подготовленная таким образом РНК не могла содержать никаких ферментов-катализаторов сплайсинга, но все равно подверглась сплайсингу сама по себе! Иначе говоря, в результате бесплодных попыток выделить белок, которого, оказывается, даже не существует, такой обходной путь позволил открыть совершенно новые и очень перспективные биологические вещества – РНК-ферменты, известные также как рибозимы.

Но на этом история не закончилась. Благодаря очередному потрясающему совпадению – «как видно, просто настало время» – именно тогда, когда Чек безуспешно пытался выделить свой фермент-катализатор сплайсинга, молекулярный биолог из Йельского университета Сидни Олтмен с коллегами изучали фермент, перерабатывающий РНК, – так называемую рибонуклеазу Р (РНКазу Р). Этот фермент разрезает некоторые клеточные РНК совершенно особым образом, и Олтмен обнаружил, что он состоит частично из РНК, а частично из белка. Опять же изначальное предположение состояло в том, что всю работу делает белковый компонент, а РНК-компонент играет вспомогательную роль, вероятно, распознавая РНК, которые белковому ферменту предстоит разрезать. Оказалось, что в ходе этого процесса белок несет очень большой положительный электрический заряд, и это понятно, ведь ему нужно связывать обладающий большим отрицательным зарядом РНК-компонент фермента, а тому, в свою очередь, необходимо связывать отрицательно заряженный субстрат РНК, который предстоит разрезать. Эта находка – большой положительный заряд – натолкнула Олтмена на бунтарскую идею, что белок, вероятно, всего лишь пассивный наблюдатель, чья роль сводится к стабилизации комплекса РНК путем нейтрализации большого отрицательного заряда. А если так, рассудил ученый, положительный заряд, вероятно, можно взять из совсем другого источника. И в самом деле, Олтмен и его коллеги обнаружили, что ферментная активность наблюдается безо всяких дополнительных белков, если добавить к РНК-компоненту рибонуклеазы Р достаточно катионов магния (каждый из которых несет положительный заряд 2+). Как часто бывает в науке, второй пример РНК-фермента вскоре породил целый фейерверк открытий маленьких саморазрезающихся РНК, а это окончательно утвердило ученых в мысли, что молекулы РНК и в самом деле способны катализировать химические реакции.

Открытие, что молекулы РНК могут действовать как ферменты, произвело переворот в представлениях о зарождении жизни. Важность этой находки была подчеркнута присуждением Чеку и Олтмену Нобелевской премии по химии за 1989 год. И тут внезапно первоначальные идеи Крика, Орджела и Вёзе о главной роли РНК показались очевидными. Одно открытие, позволившее упростить картину, избавило от необходимости представлять себе какую-то сложную схему, благодаря которой РНК и белки могли возникнуть одновременно. Вместо этого мы получили возможность думать о более ранней и простой форме жизни, в которой молекулы РНК играли двойную роль – и переносили наследственную информацию, и катализировали основные биохимические реакции в клетке. Именно эту гипотезу о первой форме жизни, где главным игроком была РНК, и популяризировал гарвардский биохимик Уолтер «Уолли» Гилберт, дав ей емкое название «мир РНК».

Гипотетически в мире РНК шли всевозможные химические реакции, катализируемые РНК, но самой важной из них, по-видимому, была репликация клеточного генома РНК как такового. Можно предположить, что эту функцию взял на себя какой-то РНК-фермент, который мы раньше уже упомянули и называли РНК-репликазой. Эта прямо-таки волшебная РНК представляла собой особую последовательность РНК, которая копировала сама себя, тем самым запуская экспоненциальную репликацию – один из важнейших признаков живой материи. Из-за такой важной роли в происхождении жизни так много лабораторий по всему миру мечтают сегодня синтезировать РНК-репликазу.

Хотя до открытия РНК-ферментов было невозможно обосновать гипотезу о мире РНК, были и другие подсказки, указывавшие на то, что на каком-то раннем этапе РНК занимала центральное место в живой материи. В частности, речь идет об одном поразительном аспекте клеточного метаболизма, который долго считался загадкой, а теперь повышен в звании и считается важнейшим свидетельством того, как была устроена первая живая материя. Все современные клетки пользуются белковыми ферментами, чтобы катализировать практически все множество химических реакций, составляющих клеточный метаболизм. Однако сотни этих ферментов не в состоянии делать свою работу без посторонней помощи, и для этого им нужны маленькие молекулы, которые называют кофакторами. Любопытно, что многие (но не все) кофакторы состоят из двух компонентов. Первый из них – это химическое соединение, которое помогает ферменту ускорять химическую реакцию. А второе – это нуклеотид, один из кирпичиков, из которых состоит РНК. Зачем же множеству разных кофакторов содержать в своей структуре кусочек РНК? Это было совершенно непонятно, пока гипотеза мира РНК не предложила объяснение: вероятно, эти непостижимые молекулы – реликты, в каком-то смысле «ископаемые» мира РНК. Возможно, в те времена, когда РНК пыталась катализировать клеточный метаболизм, ей помогали маленькие кофакторы, которые разнообразили химический репертуар РНК дополнительными химическими группами. Если эти кофакторы подсоединялись к началу или концу цепочки РНК, это местоположение позволяло им удобно участвовать в катализе. Легко представить, что в дальнейшем в ходе эволюции жизни рибозимы со временем постепенно заменялись белковыми ферментами, компонент РНК постепенно сокращался, а белковый компонент рос, пока от РНК и его кофактора не осталось лишь то, что мы видим сегодня, – диковинный кофактор, наполовину фермент, наполовину РНК.

Современные клетки содержат и другие намеки на свое древнее прошлое, в том числе самое весомое доказательство реального существования давно утраченного мира РНК. Чтобы понять, что это за доказательство, нам придется изучить, как вырабатываются белки внутри всех существующих ныне живых клеток. Сам по себе этот процесс довольно сложен, поэтому важно не погрязнуть в деталях и оценить самую суть.

Сначала посмотрим, как передается и декодируется информация, руководящая синтезом того или иного белка. Выработка белка начинается с транскрипции (из ДНК в РНК) и продолжается трансляцией (из РНК в белок). Эта информация хранится в особой последовательности азотистых оснований в клеточной ДНК (а в некоторых вирусах – в РНК). То есть каждый кирпичик (нуклеотид) ДНК содержит одно из четырех азотистых оснований (их названия нередко обозначаются буквами А, Т, Ц и Г). Генетические инструкции для создания того или иного белка записаны в последовательности нуклеотидов – то есть этими четырьмя буквами в соответствующем порядке. В двойной спирали ДНК Ц всегда связывается с Г, а А – с Т, и получается что-то вроде ступенек стремянки. Первый шаг в экспрессии генов – транскрипция этой закодированной информации в одноцепочечную молекулу РНК, так называемую матричную РНК или мРНК для краткости. (Кстати, мРНК получила широкую известность как важнейший компонент некоторых вакцин против COVID-19.) Когда мРНК транскрибируется из ДНК, она содержит последовательность нуклеотидов, которая кодирует конкретный белок, но эта последовательность мРНК должна быть декодирована, чтобы затем транслироваться в последовательность аминокислот, строительного материала белков, в белковой цепочке. Например, последовательность ДНК ГЦТ дает последовательность мРНК, которая кодирует аминокислоту аланин: генетический код[16] соотносит последовательности из трех нуклеотидов с одной из двадцати аминокислот. Весь процесс охватывает множество других РНК (что само по себе, если вдуматься, намекает на главную роль РНК), а самые крупные из этих РНК – это РНК-компоненты рибосомы, молекулярной машины, отвечающей за синтез всех закодированных белков в каждой клетке каждого организма на Земле. Рибосома – это громадный молекулярный аппарат с невероятно древней эволюционной историей. Рибосомы разных организмов имеют близкородственную структуру, и их рибосомные РНК тоже находятся в родстве, что указывает на общее происхождение.

Но зачем рибосоме такие большие РНК-компоненты? Много лет рибосомные РНК (для краткости рРНК) считались своего рода пассивным каркасом, чья роль сводилась к упорядочиванию и расстановке большого количества белков, составляющих всю остальную структуру рибосомы (примерно как РНК-компонент рибонуклеазы Р первоначально считался пассивным вспомогательным элементом). Такое представление начало постепенно меняться с углублением наших знаний о биохимии и структуре рибосомы. Вот как рибосома декодирует информацию из мРНК, чтобы руководить синтезом белков. У рибосомы есть две «половины», «маленькая» и «большая» – в том смысле, что она состоит из малой и большой субъединиц. Сам процесс декодирования проводит малая субъединица. Она особым образом удерживает мРНК – так, что образуется изгиб прямо между последним элементом генетического кода, который уже был транслирован, и следующим, который предстоит транслировать (элементы генетического кода называются кодоны). Такое положение обеспечивает то, что эти два кодона распознаются двумя маленькими молекулами РНК – так называемыми транспортными РНК (тРНК), а они действуют как адаптеры и связывают кодоны со своими комплементарными последовательностями нуклеотидов (антикодонами). В итоге это молекулярное распознавание и расставляет нужные тРНК в правильном порядке. А вдали от места событий, присоединенные к концам молекул тРНК, находятся аминокислоты, которые тоже в дальнейшем соединяются. Эти аминокислоты располагаются близко друг от друга и в нужном положении, чтобы обеспечить реакцию между ними, в середине «большой половины» – большой субъединицы рибосомы. Это и есть настоящий «фермент», который создает белки, и следует отметить, что он состоит исключительно из РНК. То есть этот «фермент» – на самом деле РНК-фермент. По словам Йельского биохимика Томаса Стейца, «рибосома – это рибозим».

Даже если все эти незнакомые биохимические этапы и кажутся вам несколько запутанными, итог крайне прост: РНК-компоненты рибосомы – не просто пассивные наблюдатели, это те самые молекулы, которые катализируют синтез всех наших белков! Из этого поразительного открытия следуют очевидные выводы: раз РНК создают белки, значит, сначала были РНК. Это и есть бесспорное доказательство существования мира РНК в древние времена, когда все было проще, еще до эволюции современного синтеза. В те времена все ферменты состояли из РНК.

Идею доминирования РНК в древности поддерживают и две другие особенности современного клеточного метаболизма. Во всех современных клетках геномная информация архивирована в ДНК. Что поразительно – и безо всякой очевидной причины – кирпичики, из которых состоит ДНК, дезоксинуклеотиды, синтезируются в клетках в результате модификации рибонуклеотидов, кирпичиков, из которых состоит РНК. Почему же это так? Соблазнительный ответ состоит в том, что первоначальные клетки не содержали ДНК, а следовательно, им требовалось вырабатывать только рибонуклеотиды, чтобы синтезировать РНК. В дальнейшем, когда клетки эволюционировали настолько, чтобы использовать ДНК, самым простым способом создавать ДНК, вероятно, стало превращение рибонуклеотидов в дезоксинуклеотиды.

Наконец, множество ролей, которые РНК играет во всех современных клетках, само по себе косвенное доказательство ее древнего происхождения и первоначального доминирования. Скажем, у бактерий особые РНК, называемые рибопереключателями, регулируют всевозможные виды метаболической деятельности, а у эукариот (это организмы, клетки которых содержат ядро, к этой категории принадлежат и люди) другие типы некодирующей РНК регулируют экспрессию генов (процесс превращения информации, закодированной в гене, в функцию). Таким образом регулирующие РНК могут контролировать, какие гены экспрессируются в конкретной клетке, что, в свою очередь, определяет, что эта клетка может делать. Это достигается контролем над стабильностью мРНК и их способностью быть транслированными. Опять же, самое простое объяснение множественности ролей РНК состоит в том, что изначально генетическим материалом живой материи была именно РНК, и именно РНК использовалась для катализа и для регуляторной деятельности. А в дальнейшем, по мере эволюции жизни, роль РНК как хранилища информации взяла на себя ДНК, гораздо более химически стабильная молекула, чья прочность и устойчивость делает ее более подходящей для архивирования ценной информации. Подобным образом роль РНК в катализе химических реакций в значительной степени взяли на себя белковые ферменты, которые как катализаторы гораздо лучше, поскольку их химические группы отличаются бо́льшим разнообразием.

Теперь, когда мы узнали, что РНК сыграла ключевую роль в возникновении жизни, и увидели убедительные доказательства, что мир РНК когда-то и вправду существовал, мы готовы сделать следующий шаг в понимании того, как зародилась жизнь, – приступить к поискам естественного пути к химическому синтезу строительного материала для РНК.