Михаил Супотницкий: Эволюционная патология

Интроны и экзоны.Проретротранспозоны сыграли основную роль в усложнении генома клетки путем формирования его интрон-экзонной организации. Первыми интронами были массивы повторяющихся последовательностей ДНК, выполняющие функцию электростатического удержания поляризованных «хвостов» амфипатических молекул оболочки протоклетки. Экзоны же формировались путем случайных мутаций проретротранспозонов во время всех процессов матричного копирования их РНК (транскрипции, трансляции и обратной транскрипции) из участков РНК, обладающих каталитической активностью. Увеличение количества и протяженности таких структур способствовало увеличению скорости неэнзиматической трансляции простых пептидов, предназначенных в первую очередь для поддержания конформации самих РНК и примитивной регуляции процессов матричного копирования. Первые пептиды были термостабильны и гидрофобны, в слабосолевых растворах приобретали положительный заряд. Благодаря этим свойствам они обладали выраженной способностью связываться с нуклеиновыми кислотами и агрегировали между собой, формируя упорядоченные структуры протоклеток.

В последующем они послужили исходным материалом для эволюции:

1) гистоновыхи прионовыхбелков;

2) белков, входящих в состав рибонуклеопротеидов эукариот;

3) нуклеотидных и матриксных белков вирусов;

4) белков, которые мы сегодня знаем под названием шапероны, т. е. способных поддерживать трехмерную структуру других сложных белков. Естественный отбор закреплял новые признаки и новые биохимические процессы за протовидом. По мнению С. Пашутина (2006), процесс формирования РНК, способной связываться со «своей» аминокислотой (сегодня они известны как транспортные РНК; тРНК), послужил толчком к созданию примитивной системы кодирования информации об отдельных пептидах и белках и их транскрипции и трансляции в протоклетках. В ходе эволюции белкам, в силу более совершенной пространственной конфигурации, удалось перехватить каталитические функции у РНК. Результатом такого «перехвата» стало формирование генов ферментов, обладающих активностями:

1) ДНК-полимеразы (синтезирует одноцепочечную ДНК, комплементарную РНК);

2) рибонуклеазы (расщепляет исходную РНК);

3) интегразы (осуществляет процесс интеграции ДНК, синтезированной на матрице РНК, с уже существующей в протоклетке ДНК).

Три этих гена сыграли основную роль в переходе протоклеток от царства РНК к царству ДНК. Естественный отбор «подхватил» ген, кодирующий мультидоменный белок, проявляющий все три активности и известный нам с 1970 г. под названием «обратная транскриптаза». Сам процесс усложнения протоклеток в клетки, способные формировать уже многоклеточные организмы, занял не менее 3 млрд лет. «Разрастание» в архее ДНК-генома клеток за счет ретроэлементов послужило толчком к эволюции многоклеточных организмов (см. подглаву 2.3). На этом этапе их эволюции появились ретровирусы.

Проретровирусы.Своим появлением они обязаны накоплению у проретротранспозонов последовательностей нуклеотидов, кодирующих белки, входящие в оболочки протоклеток, и выполняющие функции порообразования и слияния. Кодируемые такими генами белки за счет гидрофобных взаимодействий формировали конгломераты с нуклеиновыми кислотами, которые могли сливаться с наружной мембраной протоклетки, образуя в ней «выпячивания» в другую протоклеточную полость, и перемещаться из одного компартмента протоклетки в другой. Тем самым организация протоклетки усложнялась, она становилась менее подверженной воздействиям извне. Структуры, способные переносить нуклеиновые кислоты между протоклеточными образованиями и воспроизводящиеся посредством примитивной обратной транскрипции, и были проретровирусами. На этом этапе эволюции клеточной жизни их еще можно рассматривать в качестве симбионтов протоклеток. Такие клетки сегодня называют синтициальными — это большие многоядерные протопласты, окруженные периплазматической мембраной. Механизм передачи ретровирусов, характерный для протоклеточных образований, давление естественного отбора сохранило по сей день. Ретровирусы могут перемещаться между клетками по филоподиям — длинным тонким короткоживущим «выпячиваниям», отходящим от фагоцитирующих клеток.

Сами же белково-нуклеиновые образования, осуществлявщие процесс перемещения нуклеиновых кислот между поляризованными оболочками протоклеток, и упорядочивавшие такие структуры шапероны, были закреплены естественным отбором тогда, когда в их составе оказался некий минимум РНК-генов. Среди них ген, кодирующий белок оболочки такого белково-нуклеинового образования (env), участвующий в порообразовании и слиянии клеток (прототип генов gp120 и gp41 ретровирусов) и обеспечивающий перемещение «конгломерата» между структурами протоклетки; рибозим, обладающий обратной транскриптазной активностью (прототип гена pol ретровирусов), синтезирующий массивы ДНК по матрице РНК; и прототип гена gag ретровирусов, кодировавший термостабильные и гидрофобные пептиды, предназначенные для поддержания конформации РНК проретроэлементов. Последние сегодня известны как белки группоспецифического антигена ретровирусов и прионовые белки эукариотических клеток (см. подглаву 1.3). Эти три гена фланкировали некодирующие последовательности РНК — прототипы длинных концевых повторов (long terminal repeats, LTR) ретровирусов, собственно и являющиеся той РНК-матрицей для синтеза ДНК, для перемещения которой между протоклеточными структурами естественным отбором поддерживались проретровирусы. Некодирующие последовательности РНК были достаточно большими, чтобы многократно транскрибированные с них ДНК могли электростатически удерживать оболочку, достаточно мощную, чтобы вся структура могла автономизироваться в протоклетку. ( Химическую сторону эволюции жизни в этой работе мы не рассматриваем. О ней более подробно можно прочитать в монографии А. В. Яблокова и А. Г. Юсуфова (1998) и в статье С. Пашутина (2006). )