Компартментализация как необходимое условие естественного отбора и эволюции

Чтобы естественный отбор начал работать, необходима какая-то форма

компартментализации - обособления отдельных ансамблей РНК, в которых

рибозимы и их продукты удерживались бы вместе.

Только тогда естественный отбор мог отличить те РНК, чей продукт лучше, и те ансамбли, чьи РНК функционально лучше дополняют друг друга.

Лучшие обособленные ансамбли РНК – первозданные особи – должны расти быстрее других, перерастать других, тем самым обеспечивая отбор лучших.

Мир РНК:

Смешанные колонии на твердых средах

Если различные молекулы РНК и РНК-реплицирующий рибозим

оказываются в одном месте на влажной твердой поверхности в результате подсыхания лужи, то, при наличии необходимых органических и энергетических субстратов для их синтеза на поверхности или вокруг, они могут начать амплифицироваться и формировать смешанные колонии РНК.

Мир РНК:

Смешанные колонии на твердых средах

Такая смешанная колония-ансамбль должна включать молекулы РНК, обладающие различными, необходимыми друг для друга активностями,

аименно:

Лиганд-связывающие молекулы РНК для избирательной адсорбции необходимых веществ из окружающей среды и их накопления (концентрирования) в колонии.

Набор рибозимов, катализирующих метаболические реакции для синтеза предшественников нуклеотидов и самих нуклеотидов (нуклеозидтрифосфатов).

Рибозим, катализирующий комплементарную репликацию всех РНК колонии (РНК-полимеризующий рибозим).

КОЛОНИИ РНК КАК ПЕРВИЧНЫЕ ОСОБИ

Смешанные колонии РНК на твердых или полутвердых поверхностях могли быть первыми эволюционирующими бесклеточными ансамблями, где одни

молекулы выполняли генетические функции (репликацию молекул РНК всего ансамбля), а другие формировали структуры, необходимые для успешного существования (например, такие, которые адсорбировали нужные вещества из окружающей среды) или были рибозимами, ответственными за синтез и подготовку субстратов для синтеза РНК.

Такая бесклеточная ситуация создавала условия для очень быстрой эволюции: колонии РНК не были отгорожены от внешней среды и могли легко

обмениваться своими молекулами – своим генетическим материалом.

SELEX =

“Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment”

C. Turk and L. Gold (1990) Science 249, 505-510.

SELEX –

процедура последовательного отбора молекул РНК по заданному свойству (функции),

начинающаяся с гетерогенной (рандомизированной) популяции молекул и

состоящая из многократных повторений чередующихся стадий

(i)отбора молекул с признаками искомого свойства и

(ii)последующего размножения отобранных молекул

спомощью ферментативных (полимеразных) систем.

Схема получения аптамера – РНК со специфическим сродством к некоему веществу Х

полирибонуклеотида в качестве будущего активного – лиганд-связывающего – центра).

Вещество Х добавляется в смесь и затем извлекается с некоторым количеством прилипших к нему РНК, из которых основная часть окажется на Х просто за счет слабого неспецифического прилипания. Однако, вследствие заданной гетерогенности популяции РНК некоторые молекулы из беспорядочной смеси будет удерживаемы более предпочтительно, чем другие.

Все прилипшие РНК снимаются (отмываются) с Х, и эта отобранная смесь подвергается амплификации (размножается) с помощью ферментной полимеразной системы. Очевидно, что амплифицированная смесь будет уже несколько обогащена «прилипчивыми» молекулами РНК. (Кроме того, при амплификации будут появляться новые варианты нуклеотидных последовательностей в силу неизбежных ошибок репликации РНК).

В эту смесь снова добавляется вещество Х, снова извлекается, и новый смыв молекул РНК опять подвергается амплификации.

Многократное повторение чередующихся процедур отбора и амплификации приводит к получению молекул РНК с высоким – специфическим – сродством в лиганду Х (рисунок).

Гипотетическая схема первобытного SELEX’a

(1) Когда функционально различные молекулы РНК, включая РНК- реплицирующие рибозимы, оказываются в одной луже, вся популяция РНК количественно увеличивается, а благодаря реакциям спонтанной трансэстерификации (реакция Четверина) и ошибкам репликации увеличивается и разнообразие молекул.

(2)Когда лужа подсыхает, молекулы РНК оказываются на влажной поверхности глины или другого минерального субстрата, и при наличии в данном месте молекулы РНК-реплицирующего рибозима и нескольких других молекул РНК, обеспечивающих связывание нужных веществ и катализ нужных реакций, образуется и растет смешанная колония РНК; наиболее успешные колонии (т.е. колонии с наиболее

активными и лучше всего дополняющими друг друга молекулами РНК) растут быстрее других.

(3)Последующее затопление подсушенного водоема или его части растворяет колонии, и в общем водоеме опять начинается общая амплификация, но уже в популяции, обогащенной «хорошими», т.е. активными и функционально

дополняющими друг друга молекулами.

Таким путем чередующиеся затопления и подсушивания РНК-содержащих водоемов (луж) обеспечивают систематическое обогащение популяции РНК функционально лучшими молекулами («систематическая эволюция путем экспоненциального обогащения»).

Высокая скорость эволюции древнего мира РНК

Эволюционный процесс должен был быть исключительно быстрым благодаря трем обстоятельствам.

(1)Непрерывные спонтанные рекомбинации и перестройки молекул РНК, а

также низкая точность примитивных механизмов репликации, обеспечивали широчайшее поле вариантов для отбора.

(2) Свободный латеральный перенос и обмен молекулами РНК между колониями через воду и атмосферу делал любые полезные инновации достоянием всех и позволял колониям быстро совершенствоваться в

течение короткого времени их существования.

(3) Экспоненциальное обогащение всей популяции «лучшими» молекулами РНК в циклах амплификации-селекции создавало мощный эволюционный двигатель для всего коммунального мира РНК в целом.