Как копировал свою ДНК предок всех клеточных форм жизни

Один из самых загадочных вопросов реконструкции ранних этапов эволюции жизни — происхождение репликации ДНК, то есть синтеза новой нити ДНК на матрице старой, процесса, который лежит в основе копирования информации при клеточном делении. ДНК-полимеразы, осуществляющие репликацию (а также некоторые другие белки, участвующие в этом процессе, — праймазы и основные геликазы) не гомологичны у представителей трех доменов жизни — бактерий, архей и эукариот. Это не позволяло понять, каким мог быть аппарат репликации ДНК у последнего общего предка клеточных форм жизни — LUCA (last universal common ancestor). Выдвигались предположения, что репликация ДНК в разных доменах возникла независимо и даже что LUCA был клеткой на основе РНК и поэтому в репликации ДНК не нуждался. Но этим версиям противоречит предполагаемая высокая сложность LUCA, а также тот факт, что другие компоненты репликативного аппарата — белки скользящего зажима PCNA, АТФаза-погрузчик зажима, белок, связывающий однонитевую ДНК — консервативны, то есть сходны и явно имеют общее происхождение у всех известных форм жизни.

В журнале BMC Biology опубликована статья Евгения Кунина (Национальный центр биотехнологической информации, Бетесда, США), Марта Круповича (Институт Пастера, Париж, Франция), Соноко Исино и Ёсидзуми Исино (университет Кюсю, Фукуока, Япония). Авторы предлагают изящный сценарий эволюционного происхождения современных механизмов репликации и транскрипции у бактерий, архей и эукариот.

Согласно этому сценарию, у древних клеток (предков LUCA) была РНК-зависимая РНК-полимераза, содержащая два домена DPBB (double-psi beta-barrel — специфические структуры белка, важные для формирования активного сайта). Это был РНК-белковый мир, где ДНК еще не использовалась в качестве генетического материала. От РНК-зависимой РНК-полимеразы предковой клетки произошли ДНК-полимераза и транскриптаза (РНК-полимераза) LUCA — ферменты, отвечающие за синтез ДНК на матрице ДНК и РНК на матрице ДНК.

В свою очередь, от ДНК-полимеразы LUCA произошла ДНК-полимераза PolD, которая отвечает за репликацию у большей части современных архей. Общее происхождение PolD и ДНК-зависимых РНК-полимераз, которые отвечают за транскрипцию у эукариот, архей, бактерий и у многих крупных ДНК-вирусов, подтверждает гомология их каталитических центров; все эти ферменты содержат DPBB, как установлено путем сравнения их кристаллических структур. В ходе эволюции РНК-полимераз, в свою очередь, появились ДНК-зависимыe РНК-полимеразы некоторых бактериофагов, которые затем были рекрутированы эукариотами в качестве РНК-зависимых РНК-полимераз, обслуживающих РНК-интерференцию.

Параллельно в пуле мобильных генетических элементов, в который входили и первичные вирусы, паразитировавшие на протоклетках еще до появления LUCA, возникали другие типы ДНК-полимераз, отличные от PolD, — такие как PolA и PolB. В их каталитическом центре находится РНК-распознающий мотив RRM.

Как предполагают авторы статьи, вирусы транспортировали эти полимеразы в клетки архей, бактерий и эукариот. В итоге бактерии утратили предковую ДНК-полимеразу, заменив ее PolC, которая отвечает за рeпликацию, а также PolA и PolB, участвующими в репарации. У архей, помимо PolD, появилась PolB; правда, в качестве основной репликативной полимеразы она функционирует только у одной из групп — Crenarchaeota, у остальных выполняет функции, связанные с репарацией ДНК. У предков современных эукариотических клеток PolB, по-видимому, рекомбинировала с PolD, заменив собой ее домен с полимеразной активностью, но сохранив С-концевой домен и малую субъединицу. Таким образом, полимеразный домен, происходящий от LUCA, сохранился у эукариот в транскриптазе, но не в ДНК-полимеразе. Что касается митохондрий эукариотической клетки, в них гомологи PolA отвечают как за репликацию, так и за транскрипцию.

Ранние этапы эволюции аппаратов репликации и транскрипции (пояснения в тексте)

Рисунок из статьи

Авторы отмечают, что альтернативным кандидатом на роль репликативной ДНК-полимеразы LUCA может быть PolB. Эта ДНК-зависимая ДНК-полимераза также встречается у архей, эукариот, некоторых бактерий и многих крупных ДНК-вирусов. Каталитический центр PolB, домен RRM, гомологичен основным каталитическим доменам обратных транскриптаз (RT) и вирусных РНК-зависимых РНК-полимераз. Однако в этом случае получается менее красивый сценарий, в него не удается включить симметричную эволюцию репликации и транскрипции. Кроме того, PolB является репликативной ДНК- полимеразой только у Crenarchaeota, эукариот и у различных вирусов, инфицирующих хозяев во всех трех клеточных доменах. Поэтому более правдоподобным представляется его появление в вирусах или мобильных генетических элементах.

Об этой работе мы задали несколько вопросов Евгению Кунину.

Статья заканчивается фразой: «Хотя это и весьма сложно, проверка существующего эволюционного сценария путем экспериментальной реконструкции предковых форм РНК и ДНК-полимераз не выглядит невозможной». Как можно реконструировать ферменты LUCA?

С большим трудом! Но уже не с таким большим, как раньше. Все, что угодно можно реконструировать с некой степенью достоверности. Если у вас есть гомология, есть последовательности, и есть генетическое дерево, то для каждого внутреннего узла этого генетического дерева вы можете реконструировать ту последовательность, которая там существовала. Это можно делать более или менее сложными способами, и она, эта последовательность, вероятностная, есть некие вероятности аминокислот для каждой позиции. Теперь современная технология позволяет с не очень большим трудом синтезировать любую ДНК и произвести все, что вы хотите. И это уже даже не так дорого. Так что все это можно делать, если кому интересно.

Но чтобы проверить, действительно ли она обладает свойствами полимеразы, понадобится еще куча дополнительных факторов?

Нет, не понадобятся. Проверять можно разные вещи. Например, если мы хотим воспроизвести древнюю предковую полимеразу, и показать, что она хорошо работает как РНК-зависимая РНК-полимераза, особых факторов для этого не нужно. Нужно синтезировать то, что реконструируется, дать ему матрицу РНК, и пусть работает. Если вы пытаетесь воспроизводить, какие были клетки, это абсолютно другая история.

Кого труднее изучать и реконструировать — клеточные формы жизни или тот пул мобильных элементов, протовирусов, которые существовали одновременно с LUCA?

Если пытаться что-то реконструировать на уровне просто энзимов, белков, то это все равно. Если вы хотите изучать собственно биологический объект, то, конечно, вирусы сделать легче или тем более мобильные элементы. Легче, но и менее интересно, менее информативно.

Что для вас самое существенное в этой конкретной работе, что стоило бы особо отметить?

Пожалуй, я бы отметил следующее. Когда вы пытаетесь понять, как обстояло дело в далеком прошлом, самое распространенное сегодня не обязательно означает предковое. Предложить наиболее осмысленный, наиболее вероятный сценарий помогают более глубокие соображения, чем просто посмотреть на то, что сегодня наиболее распространено у всяких организмов и сделать вывод непосредственно из этого. Для меня это важная методологическая вещь.