Аминокислоты помогают нуклеотидам соединяться в короткие молекулы РНК

Рис. 1. Ранние этапы происхождения жизни согласно сценарию, основанному на матричном лигировании (Templated ligation). Сначала происходит абиогенный синтез активированных нуклеотидов — нуклеозид-2’,3’-циклофосфатов (активация путем присоединения остатка фосфорной кислоты ко второму и третьему атомам углерода рибозы). Затем из нуклеотидов тем или иным способом собираются короткие молекулы РНК (Oligomerization, слева). Обсуждаемая статья посвящена именно этому этапу. Олигонуклеотиды затем соединяются в более длинные молекулы РНК и размножаются путем матричного лигирования (Templated ligation, в центре). На круглой врезке показан механизм лигирования: ОН-группа пятого атома углерода рибозы одного нуклеотида реагирует с фосфатом, присоединенным к второму и третьему атомам рибозы другого нуклеотида. В тот момент, когда молекулы РНК начинают стабильно размножаться путем матричного лигирования, стартует дарвиновская эволюция. Это закономерно приводит к появлению и постепенному совершенствованию различных рибозимов, в том числе рибозимов-полимераз (Ribozymatic replication, справа). Рисунок из статьи A. Serrão et al., 2024. High-Fidelity RNA Copying via 2′,3′-Cyclic Phosphate Ligation

Согласно теории РНК-мира, земная жизнь началась с молекул РНК, которые каким-то образом научились размножаться. Поначалу размножение РНК, скорее всего, было неферментативным, то есть шло без помощи сложных рибозимов или, тем более, белковых ферментов. В последние годы достигнут прогресс в понимании путей абиогенного синтеза нуклеотидов — строительных блоков РНК. Найдены также правдоподобные условия, в которых длинные молекулы РНК могут собираться из коротких (олигонуклеотидов) и затем размножаться посредством матричного лигирования, то есть сшивания олигонуклеотидов в более длинные цепочки, комплементарные матрице. Осталось понять, каким образом из абиогенных нуклеотидов могли в промышленных количествах получаться олигонуклеотиды. Новое исследование показало, что этот процесс хорошо идет в умеренно щелочных условиях при периодическом высушивании, а катализируют его аминокислоты, которые тоже могут синтезироваться абиогенно в реалистичных условиях. Результаты согласуются с идеями о том, что жизнь зарождалась в наземных геотермальных системах, где имелись циклы обводнения-высыхания (пересыхающие лужи), и о том, что кооперация РНК с аминокислотами началась уже на самых ранних этапах абиогенеза.

Ключевой вопрос науки об абиогенезе — это вопрос о моменте начала дарвиновской эволюции. Или, что то же самое, о моменте появления первого репликатора — химической системы, способной размножаться и обладающей наследственной изменчивостью. Согласно теории РНК-мира, первыми репликаторами были молекулы РНК, которые научились размножаться (реплицироваться) с использованием принципа комплементарности. Начало эффективной репликации РНК обеспечило старт дарвиновской эволюции, которая направляла все последущие этапы развития жизни. Однако к старту репликации преджизнь должна была прийти без помощи этой могучей творческой силы — только на основе законов химии и физики.

В современных клетках репликация нуклеиновых кислот обеспечивается сложными белковыми ферментами — полимеразами. Эти ферменты, конечно же, являются продуктом долгой предшествующей эволюции. В РНК-мире, до появления рибосомного синтеза белков (см. Молекулы РНК умеют синтезировать пептиды при помощи реликтовых нестандартных нуклеотидов, «Элементы», 23.05.2022), репликацию РНК могли осуществлять рибозимы-полимеразы, которые сейчас активно исследуются (см. Эволюция рибозимов, размножаемых рибозимами: еще один шаг к воссозданию РНК-жизни в пробирке, «Элементы», 27.03.2024).

Впрочем, вероятность случайной самосборки эффективного рибозима-полимеразы исчезающе мала. Скорее всего, такие рибозимы тоже были результатом долгой предшествующей эволюции. Но чтобы стартовала эволюция, молекулы РНК должны были начать реплицироваться. Из этого замкнутого круга есть только один выход: поначалу молекулы РНК должны были реплицироваться неферментативно, то есть без помощи сложных катализаторов, таких как рибозимы-полимеразы (см. А. Марков. В поисках начала эволюции).

Поэтому центральный вопрос в науке об абиогенезе — это вопрос о возможности достаточно быстрой и точной неферментативной репликации РНК в условиях, которые могли существовать на ранней Земле (см. Происхождение жизни: неферментативная репликация. Интервью Бориса Штерна с Александром Марковым). Поиск ответа на этот вопрос идет по нескольким направлениям:
    1) Абиогенный синтез активированных нуклеотидов — строительных блоков, из которых затем могли бы синтезироваться молекулы РНК. На этом направлении в последние годы (после великого прорыва, описанного в новости Химики преодолели главное препятствие на пути к абиогенному синтезу РНК, «Элементы», 18.05.2009) наблюдается быстрый прогресс. В частности, уже найдены «пребиотически правдоподобные» условия, в которых можно получить сразу все четыре нуклеотида, из которых строятся молекулы РНК. Для этого необходимы циклы обводнения-высыхания. Такие циклы (пересыхающие лужи и брызги) доступны в геотермальных системах (см. S. Becker et al., 2019. Unified prebiotically plausible synthesis of pyrimidine and purine RNA ribonucleotides).
    2) Абиогенный синтез коротких молекул РНК (олигонуклеотидов) путем соединения (олигомеризации) одиночных нуклеотидов на минеральных матрицах, например, на глинистом минерaле монтмориллоните (см. V. Riggi et al., 2023. Mineral-Mediated Oligoribonucleotide Condensation: Broadening the Scope of Prebiotic Possibilities on the Early Earth).
    3) Неферментативная репликация РНК путем последовательного прикрепления одиночных нуклеотидов к затравке-праймеру, комплементарно связанному с реплицируемой матрицей (см. Синтез РНК в «протоклетках» всё-таки возможен, «Элементы», 02.12.2013). Процессу помогает присутствие простых пептидов (T. Jia et al., 2016. Oligoarginine peptides slow strand annealing and assist non-enzymatic RNA replication).
    4) Неферментативная репликация РНК путем лигирования (сшивания конец к концу) олигонуклеотидов, комплементарно связанных с матрицей (матричное лигирование). Между этим вариантом и предыдущим есть промежуточные, когда используют смесь одиночных нулеотидов с олигонуклеотидами (см. N. Prywes et al., 2016. Nonenzymatic copying of RNA templates containing all four letters is catalyzed by activated oligonucleotides).

Недавно был сделан важный шаг вперед в изучении матричного лигирования. Выяснилось, что этот процесс хорошо идет в условиях, более правдоподобных и благоприятных для других этапов и аспектов абиогенеза, чем те, что использовались в большинстве предыдущих экспериментов. А именно — в умеренно щелочной среде, при температуре от −20 до +25°С и при низкой концентрации ионов магния (см. A. Serrão et al., 2024. High-Fidelity RNA Copying via 2′,3′-Cyclic Phosphate Ligation). Прежние эксперименты, как правило, требовали высоких концентраций Mg²⁺, что создавало кучу проблем. Кроме того, для матричного лигирования отлично подходят 2′,3′-циклофосфаты, то есть олигонуклеотиды, активированные путем присоединения остатка фосфорной кислоты ко второму и третьему атомам углерода рибозы на 3’-конце молекулы (рис. 1). Именно такая активация происходит при абиогенном синтезе нуклеотидов по методу, открытому в 2009 году (см. вещество 1 на рисунке в новости Химики преодолели главное препятствие на пути к абиогенному синтезу РНК, «Элементы», 18.05.2009). При гидролизе РНК тоже могут получаться такие 3’-концы. Это правдоподобнее и естественнее, чем другие, порой довольно экзотические способы активирования нуклеотидов, которые использовались в прежних экспериментах (см. Искусственные протоклетки синтезируют ДНК без помощи ферментов, «Элементы», 09.06.2008).

Если зарождающаяся жизнь проходила через стадию матричного лигирования (то есть репликацию путем последовательного присоединения и сшивания не отдельных нуклеотидов, а коротеньких РНК, как показано на рис. 1), то нужно понять, откуда абиогенные олигонуклеотиды могли браться в товарных количествах. Для успешного синтеза и размножения длинных РНК путем матричного лигирования абиогенных олигонуклеотидов должно быть много, они должны быть определенной длины (в идеале от 4–5 до 7–8 нуклеотидов), а их последовательности должны быть максимально разнообразными. Последнего трудно добиться при синтезе олигонуклеотидов на минеральных матрицах (получаются в основном гомополимеры: ААА, GGGGG и т. д., обычно с сильным перекосом в сторону пуринов, которые лучше прилипают к монтмориллониту, чем пиримидины). Поэтому возникает интерес к поиску других способов получения олигонуклеотидов, более эффективных и «пребиотически правдоподобных», чем олигомеризация на минеральных матрицах.

Этой проблеме посвящена недавняя статья германских, чешских, итальянских и британских химиков, опубликованная в журнале Nature Communications. Ранее было показано, что нуклеозид-2’,3’-циклофосфаты (общее обозначение: cNMPs, где на месте N может стоять любая из четырех букв A, U, G или C) в умеренно щелочных условиях могут соединяться в короткие олигонуклеотиды. Но есть две проблемы. Во-первых, олигонуклеотиды получаются совсем короткие (как правило, не более четырех мономеров), во-вторых — в заметном количестве получаются только цепочки из нуклеотида G, а три остальные (A, U, C) участвуют в процессе крайне неохотно.

Авторы обсуждаемой статьи предположили, что делу могут помочь аминокислоты. Предположение базировалось как на чисто химических соображениях, так и на общетеоретических идеях о том, что дружба аминокислот с нуклеотидами, наверное, должна была начаться уже на ранних этапах абиогенеза.

Эксперименты подтвердили это предположение. В первой серии экспериментов каждый из нуклеотидов (cAMP, cUMP, cCMP, cGMP) по отдельности смешивали с одной из аминокислот при pH 10 (умеренно щелочные условия). Затем раствор высушивали и ждали 20 часов. В растворе процесс не идет: нуклеотиды соединяются в цепочки только в сухой фазе. Количество и длину получившихся олигонуклеотидов оценивали при помощи продвинутой версии масс-спектрометрии (calibrated HPLC-ESI-TOF mass spectrometry).

Результаты показаны на рис. 2.

Рис. 2. Влияние аминокислот на полимеризацию каждого из четырех нуклеотидов. По горизонтальной оси — число мономеров в олигонуклеотиде (N-mer), по вертикальной — его количество. Толстая черная линия — без аминокислот (no aa), цветные линии — в присутствии той или иной аминокислоты. Рисунок из обсуждаемой статьи

Без помощи аминокислот успешно полимеризовался только нуклеотид G (cGMP). Три остальных нуклеотида практически не дали цепочек длиннее 3–4 мономеров, да и тех получилось совсем мало.

Добавление аминокислот, особенно валина, лейцина или изолейцина, радикально улучшило ситуацию. Появилось заметное количество более длинных (до 6–7 мономеров) цепочек A, U и C. На эффективность полимеризации G аминокислоты повлияли слабее. В результате разрыв между «лидером» и «отстающими» резко сократился.

Дальнейшие эксперименты и расчеты показали, что положительное влияние аминокислот на объединение нуклеотидов в цепочки связано с кислотно-основным катализом и со способностью аминогрупп аминокислот образовывать водородные связи с определенными участками молекул cNMP (рис. 3). Лучше всего процесс идет при pH 9–10, то есть в умеренно щелочных условиях, которые встречаются в геотермальных водоемах.

Рис. 3. Предполагаемое промежуточное состояние в процессе соединения двух нуклеотидов C (cCMP). Реакция катализируется двумя молекулами аминокислоты валина. Атомы: серый — углерод, синий — азот, красный — кислород, белый — водород, оранжевый — фосфор. Водородные связи обозначены зелеными пунктирными линиями. Рисунок из обсуждаемой статьи

Затем были проведены эксперименты со смесями нуклеотидов (А+U, G+C, A+U+G+C) без аминокислот и с добавлением аминокислоты валина. Оказалось, что в отсутствие аминокислот разнообразие олигонуклеотидов всегда получается низким. Причина в том, что разные нуклеотиды включаются в цепочки с разной частотой. Больше всего получается гомополимеров G (GGG...) и олигонуклеотидов с резким преобладанием G (GGGA, GGGGC и т. д.).

Добавление валина и в этом случае радикально улучшило ситуацию. Разнообразие последовательностей резко увеличилось и приблизилось к максимально возможному. То есть такому, какое должно получаться при равновероятном включении всех четырех нуклеотидов в формирующиеся цепочки.

Таким образом, найден пребиотически правдоподобный путь синтеза олигонуклеотидов, пригодных для роста и размножения молекул РНК путем матричного лигирования. Это важный шаг к реконструкции ключевого этапа абиогенеза — появления первого репликатора. В заключение перечислим основные достоинства новооткрытого способа получения олигонуклеотидов:
    1) В качестве исходного субстрата используются нуклеозид-2’,3’-циклофосфаты — более пребиотически правдоподобные молекулы, чем те, что использовались в большинстве предыдущих исследований.
    2) Не нужно никаких катализаторов, кроме аминокислот, которые могут синтезироваться абиогенно в реалистичных условиях. Не нужны ни минералы, ни ионы магния.
    3) Процесс идет в условиях, встречающихся в наземных геотермальных системах, которые считаются наиболее вероятной «колыбелью жизни».
    4) Рост и репликация молекул РНК путем матричного лигирования идут в тех же самых условиях.
    5) Значительная доля получающихся олигонуклеотидов сохраняют на своем 3’-конце фосфат, присоединенный ко второму и третьему атомам углерода рибозы. Это позволяет им сразу, без всяких подготовительных действий, участвовать в матричном лигировании.
    6) Высокое разнообразие получающихся олигонуклеотидов, а также близкое к оптимальному распределение их длин, создают предпосылки для эффективного размножения и эволюции разнообразных длинных молекул РНК.

Источник: Saroj K. Rout, Sreekar Wunnava, Miroslav Krepl, Giuseppe Cassone, Judit E. Šponer, Christof B. Mast, Matthew W. Powner & Dieter Braun. Amino acids catalyse RNA formation under ambient alkaline conditions // Nature Communications. 2025. DOI: 10.1038/s41467-025-60359-3.

Cм. также:
1) Происхождение жизни: неферментативная репликация. Интервью Бориса Штерна с Александром Марковым // «Троицкий вариант». 2023. №26 (394).
2) А. Марков. В поисках начала эволюции // Природа. 2015. №1.
3) Синтез РНК в «протоклетках» всё-таки возможен, «Элементы», 02.12.2013.
4) Искусственные протоклетки синтезируют ДНК без помощи ферментов, «Элементы, 09.06.2008.

Александр Марков