Происхождение важнейшего молекулярно-биологического процесса, лежащего в основе размножения любой живой клетки, — репликации ДНК — окутано тайной. Дело в том, что ферменты, обеспечивающие удвоение цепочек ДНК — ДНК-полимеразы — у организмов из трех доменов жизни (архей, бактерий и эукариот) неродственны друг другу. Недавно группа исследователей во главе с Евгением Куниным предложила изящную гипотезу возникновения репликационного аппарата, согласующуюся с известными данными о сходстве и различиях ДНК-полимераз у архей, бактерий и эукариот. Ученые считают, что ДНК-полимеразы и РНК-полимеразы (ферменты, осуществляющие транскрипцию) произошли от одного предкового белка, который функционировал, как РНК-зависимая РНК-полимераза — синтезировал комплементарную РНК на матрице РНК.
Рис. 1. Строение основных структурных мотивов, образующих активный центр ДНК- и РНК-полимераз. A — мотив двойной ψβ-бочонок (DPBB), B — мотив RRM, C — активный центр ДНК-полимераз семейства PolC. Голубыми стрелками обозначены β-листы, красными цилиндрами — α-спирали.
Существует великое множество гипотез происхождения жизни на Земле, и многие из них сходятся на том, что в определенный период на земле существовал некий гипотетический организм, от которого произошли все ныне живущие клеточные формы жизни — последний универсальный общий предок, или LUCA (Last Universal Common Ancestor) большинство ученых уверены в его существовании.
Если все формы жизни происходят от одного общего предка, то кажется разумным, что ферменты, обеспечивающие протекание базовых биологических процессов, общих для всего живого, должны быть очень близки у всех современных организмов. В самом деле, белки, участвующие в транскрипции, трансляции и ключевых метаболических процессах вроде синтеза нуклеотидов, крайне консервативны и очень близки даже у эволюционно далеких групп организмов (в частности, — у кишечной палочки и у человека).
Однако есть одно странное исключение, которое, на первый взгляд, ставит под сомнение если не существование LUCA, то, как минимум, наличие у него генома в виде молекулы ДНК — репликация ДНК. Дело в том, что ферменты ДНК-полимеразы, которые катализируют присоединение новых дезоксирибонуклеотидов, комплементарных матричной цепи ДНК, у представителей трех доменов клеточных форм жизни — бактерий, архей и эукариот — неродственны друг другу. Как же так получилось, что такой важнейший для любой клетки процесс как репликация ДНК у трех доменов жизни катализируют совершенно разные белки? Недавно группа ученых во главе с Евгением Куниным предложила новый изящный сценарий возможного происхождения репликации ДНК. Но прежде чем приступить к его обсуждению, давайте рассмотрим, какие вообще бывают ДНК-полимеразы.
ДНК-полимеразы бактерий, архей и эукариот относятся к трем разным белковым семействам и различаются друг от друга, прежде всего, организацией активного центра, который и катализирует присоединение новых нуклеотидов к растущей комплементарной цепи ДНК.
У эукариот, архей из типа Crenarchaeota и многих крупных ДНК-содержащих вирусов основная ДНК-полимераза, задействованная в репликации, относится к семейству полимераз B (PolB). Полимеразы из семейства PolB есть у некоторых бактерий и архей, не относящихся к Crenarchaeota, но у них она участвует не в репликации, а в репарации, восстанавливая бреши в поврежденных цепях ДНК. Ферменты PolB объединяет одинаковое устройство каталитического домена: его основу составляет мотив под названием RRM-ладонь (RNA recognition motif) (рис. 1, B). «Ладонью» (англ. palm) принято называть домен ДНК-полимеразы, который катализирует присоединение нового нуклеотида к цепочке (домен под названием «палец» (finger) обеспечивает образование комплементарных связей между новоприсоединенным доменом и матричной цепью, а домен «большой палец» (thumb) нужен для эффективного перемещения фермента по матричной цепи. Домены получили свои говорящие названия из-за сходства их расположения друг относительно друга с расположением пальцев и ладони кисти руки.
Примечательно, что очень похожую структуру с мотивом RRM имеет каталитический центр ферментов из числа обратных транскриптаз, которые синтезируют РНК на матрице ДНК, и вирусных РНК-зависимых РНК-полимераз, которые синтезируют РНК на матрице РНК. Кроме того, активный центр на основе мотива RRM-ладонь имеют праймазы — ферменты, синтезирующие РНК-затравки в начале удвоения ДНК у архей, эукариот и вирусов, геном которых представлен двуцепочечной ДНК. Производное мотива RRM-ладонь имеется у полимераз семейства PolA. Эти полимеразы задействованы в репаративном синтезе ДНК у бактерий и являются главным репликативным ферментом у некоторых фагов, а также в митохондриях растений и грибов.
У архей, за исключением представителей типа Crenarchaeota и некоторых других видов, основная репликативная ДНК-полимераза относится к семейству полимераз D (PolD). Каталитический центр PolD образован двумя структурными мотивами, известными как двойной ψβ-бочонок (DPBB, от англ. Double Psi Beta Barrel). Два мотива DPBB составляют основу активного центра основного фермента транскрипции — РНК-полимеразы — у большинства форм жизни: бактерий, архей, многих ДНК-вирусов (рис. 1, A).
Бактериальная репликативная ДНК-полимераза принадлежит к семейству полимераз C (PolC). Каталитический центр имеет PolC иную структуру, чем PolB. Его основу составляет структурный мотив, известный как Polβ-подобная нуклеотидилтрансфераза (рис. 1, C). За пределами домена бактерий PolC практически не известны: исключение составляют несколько плохо изученных бактериофагов. Редкость полимераз PolC среди фагов, вероятно, свидетельствует о том, что PolC попали к вирусам от бактерий относительно недавно и не успели широко распространиться.
Как вы, наверное, уже заметили, различные семейства ДНК-полимераз существенно ближе к некоторым РНК-полимеразам, чем друг к другу. Долгое время ученые полагали, что репликация ДНК в ходе эволюции возникала несколько раз. Некоторые даже придерживались мнения, что геном LUCA был представлен молекулой РНК, поэтому и механизм репликации ДНК организмы из разных доменов «изобретали» независимо друг от друга.
В последние годы благодаря развитию метагеномики, позволяющей получать последовательности геномов микроорганизмов и вирусов прямо из образцов окружающей среды без культивации в лаборатории, базы данных пополнились последовательностями ДНК-полимераз множества новых организмов. Теперь уже стало возможным проследить определенные закономерности эволюции ДНК-полимераз, сравнивая последовательности миллионов генов, кодирующих ДНК-полимеразы у самых разных организмов. Кроме того, многие ДНК-полимеразы микроорганизмов и вирусов ученые сумели закристаллизовать и далее получить их пространственные структуры. Ученые из группы Кунина проанализировали новые данные о сходстве ДНК- и РНК-полимераз различных организмов и на их основании разработали вероятный сценарий возникновения и эволюции репликации ДНК.
Исследователи полагают, что наличие РНК-полимераз с двумя мотивами DPBB (являющихся основными ферментами транскрипции) у всех доменов жизни свидетельствует о том, что РНК-полимераза такого же устройства имелась еще у LUCA. Примечательно, что, хотя современные РНК-полимеразы с двумя мотивами DPBB обычно функционируют как ДНК-зависимые ферменты, при некоторых условиях они могут синтезировать РНК на матрице РНК. Например, растительные инфекционные агенты вироиды, имеющие мелкие РНК-геномы, заставляют РНК-полимеразу II растений функционировать как РНК-зависимую РНК-полимеразу, хотя как таковые РНК-зависимые РНК-полимеразы имеются только у РНК-содержащих вирусов. Ученые заключили, что предковая полимераза, содержащая мотив DPBB, появилась еще до того, как ДНК стала основной формой хранения генетической информации, и была РНК-зависимой РНК-полимеразой. Сам мотив DPBB, вероятно, первоначально служил вспомогательным, лишенным каталитической активности РНК-связывающим доменом, а роль РНК-зависимой РНК-полимеразы выполнял рибозим. Однако белок, содержащий не один, а два мотива DPBB в результате удвоения соответствующего участка гена, уже сам обладал полимеразной активностью и постепенно вытеснил менее эффективный рибозим, став настоящей РНК-зависимой РНК-полимеразой.
Появление клеток, геном которых представлен ДНК, сопровождалось разделением древней РНК-зависимой РНК-полимеразы с двумя мотивами DPBB на две эволюционные ветви: первая ветвь была родственна современным PolD архей и включала ДНК-зависимые ДНК-полимеразы, а вторую ветвь образовались РНК-полимеразы, «научившиеся» использовать ДНК в качестве матрицы и ставшие первыми ферментами, осуществляющими транскрипцию. Появление репликативных ДНК-зависимых ДНК-полимераз сопровождалось присоединением к DPBB-полимеразе нескольких дополнительных доменов, облегчающих взаимодействие с ДНК, в частности, доменов, содержащих ДНК-связывающие мотивы типа цинковые пальцы. Авторы гипотезы полагают, что у LUCA имелась репликационная ДНК-полимераза именно такого типа (то есть содержащая мотив DPBB и входящая в семейство PolD), а из современных организмов ее сохранили большинство архей.
Когда уже после LUCA произошло разделение клеточной жизни на архей и бактерий (эукариоты, по современным представлениям, являются обособленной группой архей), у бактерий DPBB-содержащая ДНК-полимераза была вытеснена ДНК-полимеразой семейства PolC, которая произошла от древней нуклеотидилтрансферазы семейства Polβ.
Поскольку мотив RRM очень консервативный и древний (он появился, вероятно, еще в эпоху РНК-мира), полимеразы семейства PolB, основу каталитического центра которых составляет RRM, возможно, появились у мобильных генетических элементов и вирусов, паразитировавших на древних протоклетках еще до возникновения LUCA. В частности, возможным предком PolB является обратная транскриптаза первых ретротранспозонов. У архей ДНК-полимеразы семейства PolB появлялись несколько раз, вероятно, благодаря заимствованиям у вирусов, у которых ферменты этой группы широко распространены. Появление полимераз PolB у бактерий также, по всей видимости, связано с заимствованием этого фермента у вирусов. У эукариот полимеразы PolB тоже появились благодаря вирусам, причем впоследствии эукариотические ДНК-полимеразы PolD, сохранившиеся от предков-архей, были полностью вытеснены PolB.
Происхождение полимераз PolA, содержащих мотив RRM и отличающихся высокой консервативностью, вызывает много вопросов. Возможно, PolA впервые появились у вирусов из предковой RRM-полимеразы, а затем были перенесены бактериям. Примечательно, что подобный сценарий был реализован у митохондрий, у которых PolA служит главным репликативным ферментом: вероятнее всего, митохондрии получили PolA от фагов. Таким образом, заимствование клеткой вирусных ферментов, которые по эффективности зачастую превосходят клеточные аналоги, происходило несколько раз в ходе эволюции репликации ДНК.
Таким образом, согласно новой гипотезе Кунина и соавторов, современные ДНК- и РНК-полимеразы произошли от общего белка-предка, который функционировал как РНК-зависимая РНК-полимераза. Существующие возможности молекулярной биологии позволяют, хотя и с большим трудом, реконструировать древние формы РНК- и ДНК-полимераз. И, хотя изложенный выше сценарий в значительной степени остается гипотетическим, реконструкция предковых полимераз может позволить проверить его экспериментально.
Источник: ЭЛЕМЕНТЫ БОЛЬШОЙ НАУКИ
