Алексей Рязанов – доктор биологических наук

Алексей Рязанов: Начну с того, что расскажу, как вообще появилось представление о мире РНК. Собственно, молекулярная биология началась ровно 50 лет назад. Потому что весной 53-го года была опубликована статья Уотсона и Крика, где они установили структуру двойной спирали ДНК. И, в общем-то, сразу после этого стало понятно, как кодируется биологическая информация, и родилась центральная догма молекулярной биологии. Согласно этой догме, информация закодирована в ДНК, в генах. Потом эта информация перечитывается в РНК, затем – в белок. Вот такая догма: ДНК – РНК – белок. И, согласно этой догме, нуклеиновые кислоты, ДНК и РНК, несли информативную функцию, а остальные все функции были отведены белкам. Но на самом деле вскоре после открытия структуры ДНК и установления центральной догмы молекулярной биологии стало ясно, что РНК, возможно, имеет не только информативную функцию.

И вот здесь Александром Сергеевичем Спириным и его учителем Андреем Николаевичем Белозерским было сделано принципиальное открытие. В середине 50-х годов они изучали нуклеотидный состав РНК и ДНК у разных бактерий. ДНК и РНК состоят из четырех нуклеотидов. Это аденин, гуанин, цитозин и тимин. Но соотношение этих нуклеотидов может сильно варьироваться у разных организмов. Спирин и Белозерский, изучая нуклеотидный состав ДНК у разных бактерий, обнаружили сильную вариацию. То есть, у некоторых видов бактерий было очень много Г и Ц, а у других бактерий было очень много А и Т. И также они в этих опытах изучили нуклеотидный состав РНК. И обнаружили удивительную вещь. Оказалось, что нуклеотидный состав у разных бактерий в ДНК сильно отличался. В то время как нуклеотидный состав в PHK был более-менее постоянным.

И это, собственно, выглядело очень удивительно, потому что считалось, что нуклеотидный состав РНК должен отражать состав ДНК. И коль скоро оказалось, что отсутствовала такая прямая корреляция, стало ясно, что основная масса РНК несёт какую-то другую функцию. Не участвует непосредственно в переносе информации от ДНК к белку. С другой стороны, когда они построили график состава нуклеотидов в РНК и сравнили с составом ДНК в разных бактериях, стало ясно, что существует слабая корреляция. То есть, отсюда следует, что существует небольшая фракция РНК, которая действительно соответствует ДНК и которая является переносчиком информации между ДНК и белками, но при этом основная масса РНК, очевидно, выполняла какую-то другую функцию – структурную или функциональную. И на самом деле отсюда, по-видимому, стоит начать отсчёт этой истории со всякими нетрадиционными функциями РНК, которая, в конце концов, привела к идее рибозимов и идее РНК-мира.

Но здесь, я думаю, стоит сначала обсудить, откуда взялась идея рибозимов и РНК-ферментов. Я, когда был ещё студентом, собственно, наблюдал всю эту историю с самого начала. Потому что это всё произошло сравнительно недавно, в начале 80-х годов. Я тоже интересовался происхождением жизни и в какой-то момент понял, что на самом деле центральным вопросом в происхождении жизни является вопрос о том, как нуклеиновые кислоты, информация, которая находится в нуклеиновых кислотах, переводится в информацию белковую. И возникла тогда такая идея, что, возможно, те белки, которые устанавливают соответствие между аминокислотами и нуклеотидами, на самом деле являлись не чисто белками, а состоят из белковой части и нуклеиновой части. И я стал собирать информацию о разных ферментах, которые были белками, но при этом содержали в себе нуклеиновые кислоты. И в литературе было несколько таких примеров.

Во-первых, Сидни Олдман в Йельском университете показал, что есть такой фермент, который специфически расщепляет определённую РНК и этот фермент состоит из белковой части и части, представленной РНК. Тогда этому большого значения никто не придал, но, тем не менее, были такие данные. Потом в Институте биохимии имени Баха Анна Николаевна Петрова изучала фермент амилаза. Это ветвящийся фермент, который ответственен за формирование гликогена. И тоже обнаружилось, что этот фермент в своём составе содержит РНК. В самом начале 80-х годов появилась работа Томаса Чака, который показал, что есть РНК, которые могут сами себя разрезать. И, собственно, это было открытием ферментативной активности у РНК.

И с тех пор было показано, что существует очень много разных ферментов, разных информативных активностей у РНК. То есть, стало очевидным, что РНК может обладать теми же свойствами, что и белки. И на самом деле здесь самое интересное следствие это то, что история с открытием рибозимов или РНК-ферментов привела к совершенно новой концепции происхождения жизни. Поэтому, я думаю, сначала стоит обсудить, какие вообще существовали теории происхождения жизни, и как открытие РНК-ферментов преобразило эту область. Наиболее научная теорией происхождения жизни была теория Александра Ивановича Опарина, которую он высказал в 20-е годы.

На этой картинке вы видите общую схему концепции Опарина. Он предполагал, что аминокислоты могут собираться в полипептиды, полипептиды могут собираться в белки. И далее эти белки могут агрегировать в так называемые коацерваты. И идею эту он заимствовал из коллоидной химии. Центральной идеей Опарина было то, что на каком-то этапе эволюции белки или какие-то сложные полимеры смогли обособиться от окружающей среды. И возникла идея этих коацерватов, то есть таких капель внутри раствора коллоидных частиц, которые могли накапливать различные биополимеры и могли расти, и могли как-то делиться. Но центральной проблемой здесь являлась проблема наследственности. Если даже какая-то новая функция возникла в таких каплях, непонятно, как она могла сохраниться, как она могла передаться потомству. Даже если эти капли могли расти и делиться. И, конечно, в общем-то, Опарин считал, что центральную роль в эволюции этих первых протоклеток играли белки, потому что в то время считалось, что только белки могут обслуживать метаболизм, могут выполнять каталитические функции. Но белки, к сожалению, не могут в отличие от нуклеиновых кислот. Поэтому когда обнаружили, что РНК может тоже выполнять те же функции, что и белки, катализировать химические реакции, ферментативные реакции, то, соответственно, сразу возникла идея, что, может быть, жизнь началась не с белков, а именно с РНК.

И вот в последние годы академик Спирин разработал новую концепцию происхождения жизни, в которой он сделал ряд предположений о том, как молекулы РНК могли, в конце концов, самоорганизоваться до такого уровня, чтобы стать живыми клетками.

Александр Гордон: Да, только у меня сразу возникает вопрос: а куда тогда девать ДНК, если РНК может выполнять функции и ДНК и белка – саморепликацию и ферментативную деятельность?

А.Р. Здесь так же, как с белками. То есть, РНК может выполнять и репликативные функции и ферментативные функции, но ферментативные функции белки выполняют лучше. То же самое и с ДНК. Для хранения генетической информации ДНК лучше.