_hellmaus_ (_hellmaus_) wrote,
_hellmaus_
_hellmaus_

Category:

7. МИР ВИРУСОВ, ПОСЛЕДНИЙ ВСЕОБЩИЙ ПРЕДОК И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ДНК

Если в предыдущих разделах мы восстанавливали картину древних событий по косвенным данным, например, химических экспериментов, то строение прото-организмов отчасти доступно прямому изучению методами сравнительной геномики. Прото-организмы цинкового мира дали начало двум весьма разным группам клеток — бактериям и археям. Бактерии близки и привычны нам, они населяют воду, почву и наши тела, вызывают гниение и брожение, а некоторые способны к фотосинтезу. Археи населяют горячие источники, подземные воды, океанские впадины и пересоленые лагуны и используют для получения энергии химические реакции с минералами: окисление железа, марганца, серы и других элементов; в качестве источника углерода им может подходить даже угарный газ. 
 Кроме того, из сообщества прото-организмов выделились несколько групп вирусов, и часть их древнее, чем разделение предков бактерий и архей. Сравнительная геномика позволяет нам строить родословные деревья генных семейств. Если дерево генного семейства совпадает с деревом клеток — на нем есть две отдельных больших ветви, бактериальная и архейная — это веский аргумент в пользу того, что и последний всеобщий предок (Last Universal Common Ancestor, LUCA) имел гены этого семества. Если же архейные предствители генного семейства вклиниваются на дереве между бактериальными и присутствуют в меньшинстве архей — здесь можно предположить зарождение гена в линии бактерий и последующий горизонтальный перенос его в некоторые группы архей.

Сравнение прочитанных на сегодня геномов бактерий и архей показывает, что общий предок имел огромное количество генов — более 8000, что больше, чем у любого современного вида прокариот. Такое количество генов, во-первых, слишком велико для метаболических возможностей бактериальной клетки, во-вторых, в это количество входят гены множества разных метаболических путей, которые ныне не встречаются вместе в одной клетке. По набору метаболических путей получается, что общий предок мог «в одиночку» составлять целую экосистему с замкнутыми химическими циклами, что странно для клеточной формы жизни.

Что же нам говорит сравнительная геномика об истории различных клеточных систем?



Компоненты

Гомология между бактериальными и архейными белками

Система трансляции

Ортологичны практически все

Система транскрипции

ДНК-зависимая РНК-полимераза

Ортологичны, хотя накоплено много различий

Регуляторы транскрипции

Нет гомологии

Синтез предшественников ДНК

Синтез дезоксирибозы

Ортологичны с высоким сходством

Синтез тимидина

Нет гомологии

Система репликации ДНК

Главная ДНК-полимераза

Нет гомологии

Праймазы

Нет гомологии

Gap-filling ДНК-полимераза

Нет гомологии

ДНК-Хеликазы

Независимо произошли от предковых РНК-хеликаз

3'-5' проверочная экзонуклеаза

Независимо произошли от предковых РНКаз

SSB-белки

Независимо произошли от предковых РНК-связывающих белков

ДНК-лигазы

ортологичны

Sliding clamp

ортологичны

Clamp Loading ATPase

ортологичны

Базовая система рекомбинации (RecA/RadA)

ортологичны

Системы репарации ДНК

Нет гомологии либо независимое происхождение от ферментов, работающих с РНК

Мы видим, что система трансляции последнего общего предка уже пришла практически к современному виду — археи и бактерии отличаются лишь несколькими вспомогательными рибосомными белками. Несколько отличается история аминоацил-тРНК-синтаз — они претерпели множество горизонтальных переносов, особенно между разными группами бактерий, видимо, потому что они достаточно автономны, взаимодействуя только с консервативными тРНК и неизменными аминокислотами.

Система репликации ДНК причудливо сочетает компоненты, унаследованные от общего предка, с независимо возникшими. Странно, что меньше всего сходства между бактериями и археями есть в самых главных компонентах репликативной вилки — ДНК-зависимой ДНК-полимеразах и праймазах. Гомология вспомогательных компонентов, особенно Clamp и Clamp Loader ATPase, означает, что структура репликативной вилки, копирующей одновременно обе цепи, уже существовала — для более простых механизмов, например, по типу «катящегося кольца», Clamp и Clamp loader не требуются. ДНК-полимеразы архей имеют полимеризационный домен «palm-and-fingers», общий с вирусными обратными транскриптазами и РНК-зависимыми РНК-полимеразами. Бактериальная ДНК-полимераза оказывается сиротой — никаких родственных белков с другими функциями ни у каких организмов неизвестно. Бактериальные праймазы имеют каталитический домен Toprim, характерный для двух семейств хеликаз и одного редкого семейства нуклеаз, а архейные не обнаруживают сходства ни с какими другими белками. Другие компоненты репликативной вилки, хотя и обнаруживают сходство между бактериями и археями, при детальном рассмотрении оказываются независимо принявшими одинаковые функции. Например, основные репликативные хеликазы относятся к одному суперсемейству P-loop ATPase, но архейные хеликазы семейства А ближе к I семейству РНК-хеликаз и бактериальному ферменту репарации UvrD, а бактериальные хеликазы DnaB — к белкам инициации репликации репликации RecA. Проверочные 3'-5' ДНК-экзонуклеазы относятся к одному большому семейству, но архейные и бактериальные ферменты образуют там разные ветви среди множества РНК-экзонуклеаз. SSB-белки тоже принадлежат к одному семейству ДНК-РНК-связывающих белков OB-fold, но архейные SSB в пределах этого семейства ближе к лизил- и аспартил-тРНК-синтазам, чем к бактериальным функциональным аналогам. Таким образом, получается, что у LUCA репликативная вилка функционировала без ДНК-зависимой ДНК-полимеразы, но ДНК уже существовала. Скорее всего, это говорит о гетеродуплексном ДНК-РНК геноме в кольцевой форме. Древняя репликативная вилка, соответственно, включала в себя обратную транскриптазу и ДНК-зависимую РНК-полимеразу. ДНК-РНК гетеродуплексы прочнее, чем РНК, и могли достигать длины 200 тысяч нуклеотидных пар. Нельзя, впрочем, исключить и другой вариант, показаный на рисунке ниже в середине: обратная транскриптаза строила ДНК-РНК гетеродуплекс из геномной РНК, затем РНК гетеродуплекса разрушалась нуклеазами и ДНК достраивалась до двухцепочечной той же обратной транскриптазой. Завершался цикл репликации синтезом новой РНК на двухцепочечной ДНК-матрице. Это схема полностью совпадает с репликационным циклом ретровирусов, но в ней нет места для полноценной репликативной вилки, хотя clamp и clamp loader исходно могли повышать процессивность обратной транскриптазы.

origin of DNA replication-1

Эволюция систем репликации.(Leipe et al., 1999)

Система транскрипции тоже существовала у общего предка бактерий и архей, однако, система ее регуляции отличалась от современной. С учетом данных по системе репликации, можно думать, что транскрипции подвергались не отдельных гены или опероны, а сразу целые плазмиды длиной десятки тысяч нуклеотидов, без специальной терминации, а инициация траскрипции могла происходить в той же точке, что и инициация репликации. Подобным образом работают крайне компактизованные кольцевые митохондриальные геномы животных — в них есть один контрольный регион, в котором инициируется репликация и транскрипция обоих цепей, транскрипты потом разрезаются на отдельные мРНК эндонуклеазами системы созревания тРНК, для чего в митохондриальных геномах гены тРНК вклинены между белок-кодирующими.

Вирусы, по-видимому, сопровождают остальную жизнь со времен РНК-мира. Существует огромное их разнообразие — одно- и двухцепочечные ДНК-вирусы, ретровирусы, двухцепочечные РНК-вирусы, одноцепочечные РНК-вирусы с плюс- и минус-геномом. Их механизмы репликации очень разные и не очень понятно, как одни могли произойти из других. Однако, есть несколько характерных генов, которые встречаются во всех классах вирусов и совершенно отсутствуют в клеточных организмах. Это JRC (lelly roll capsid protein) — один из типов капсидных белков, хеликаза S3H, инициирующая репликацию разных типов вирусных геномов, и упаковочная ATPаза, собирающая разные типы капсидов с затратой АТР. Широкое распространение этих генов означает, что вирусы с древнейших времен составляли единый «вирусный мир», объединенный горизонтальным переносом генов при параллельном заражении одного хозяина.


origin of DNA replication-2
Эволюция генетических систем и появление вирусов. (Leipe et al., 1999)

Теперь мы можем подвести итоги. С появлением белкового синтеза первые живые системы сильно расширили свои возможности обмена веществ и доступные экологические ниши. Они, вероятно, смогли заселить разные слои геотермальных отложений сульфида цинка, включая самые нижние, мало доступные для света, используя просачивающиеся сверху органические вещества и, возможно, хемосинтетические реакции. Первая белковая РНК-зависимая РНК-полимераза сняла с рибозимов необходимость катализировать собственную репликацию и позволила сильно увеличить количество генетической информации. Белки так же стали промежуточным звеном, создавшим возможность взаимодействия РНК с липидными мембранами. Так жизнь перешла из двумерной формы адсорбированных на минеральной поверхности полимеров к трехмерной форме — скоплениям биополимеров во впадинах и полостях минеральных отложений, затянутым примитивными мембранами. Полная независимость от сульфида цинка тогда была еще невозможна, но появились первые структуры, похожие на клетки — пузырьки, закрытые мембраной со всех сторон, плавающие в воде. Они поначалу были расселительными стадиями плоских, сидящих на минералах прото-организмов. Геном таких прото-организмов состоял, по всей видимости, из множества разных молекул РНК, одно- или двухцепочечных, линейных и кольцевых. Механизмы их репликации, скорее всего, напоминали таковые у РНК-вирусов, их размер, аналогично, соответствовал размеру РНК-вирусных геномов, в пределах 5-30 тысяч нуклеотидов. Даже 30 тысяч нуклеотидов едва хватает, чтобы кодировать систему трансляции с ее рРНК, тРНК, рибосомными белками и другими факторами. Можно представить, что в прото-организмах существовала «доминирующая» молекула РНК, кодирующая РНК-полимеразу и главные компоненты аппарата трансляции, и многочисленные РНК-плазмиды, кодирующие ферменты биосинтеза, средства защиты и взаимодействия с внешним миром. Точная сегрегация этих РНК-молекул при делении прото-организмов удавалась далеко не всегда, и скорее всего, отложения ZnS были заселены сложным сообществом биохимически и экологически различных прото-организмов, но генетически единых благодаря сильнейшему горизонтальному переносу генов. Наряду с «полезными» плазмидами уже тогда должен был быть весь спектр эгоистичных генетических элементов: от маленьких, ничего не кодирующих вироидов и специализированннных вирусов с белковыми капсидами до внутригеномных паразитов, таких как интроны I типа, РНК-аналогов современных ДНК-транспозонов и частично эгоистичных плазмид.

ДНК пришла в генетические системы прото-организмов благодаря ее большей химической устойчивости. Во-первых, в ее состав входит дезоксирибоза, не имеющая 2' гидроксильных групп, с которых начинаются многие реакции гидролиза РНК. Во-вторых, в ней вместо урацила используется его метилированное производное — тимин. Это дает возможность устранять последствия одного из видов мутаций — дезаминирования цитозина. Эта реакция происходит спонтанно и в результате на месте цитозина появляется урацил, никак не отличимый от нормального. В ДНК же системы репарации находят урацил, удаляют его и возвращают цитозин на место. Две неродственные тимидилат-синтазы у бактерий и архей означают, что первая ДНК еще содержала урацил и устойчивость к гидролизу была ее единственным приемуществом.

Скорее всего, оба шага на пути от РНК-генома к ДНК-геному были сначала сделаны вирусами. Отсутствие у вириона связи с сульфидом цинка, систем репарации и необходимость долгого автономного существования означает особо жесткие требования к стабильности генетического материала. Древние ретровирусы, скорее всего, имели ДНК в вирионах и при заражении хозяина с РНК-геномом производили транскрипцию, обратная транскрипция происходила перед формированием новых вирионов. Вирусные геномы, благодаря малому размеру, терпимы к высокой частоте мутаций, что облегчало эксперименты с новыми полимеразами.



Tags: происхождение жизни
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 35 comments