Абиогенез

[LUCA]

1. Мультисубъединичные РНК-полимеразы архей, бактерий и эвкариот имеют общий кор из четырёх субъединиц, соответсвющих бактериальным субъединицам α,β и β' и ω, где α-субъединица представлена у бактерий двумя копиями, а у архей существуют две различные субъединицы, гомологичные α (субъединицы D и L), тогда как у эвкариот - субъединицам (Rbp3 and Rbp11) [Cramer P. 2002a)]

2. Эти деревья обладают топологией, сходной с таковой для рибосомных РНК, что указывает на преимущественно вертикального наследования этих субъединиц.

Эти факты дают косвенные основания считать, что изучаемая в последние 15 лет репарирующая активность этих полимераз также могла присутствовать у LUCA, позволяя ему поодерживать более крупные РНК-геномы.

Но ведь это ДНК-зависимые РНК-полимеразы! Не может ли этого говорить о том, что LUCA уже мог обладать ДНК-геномом?

Вы были когда-то правды, сказав, что вопрос нерешён. И здесь с Вами полностью согласен. Хорошо. Давайте попробуем понять.
Наших знаний сейчас недостаточно для того, чтобы отдать предпочтение какой-то из моделей, хотя мне ближе всего модель Кунина и др. (ниже).
Лишь 4 компонента репликации ДНК могут рассматриваться как общими для разных доменов:

1. DnaN - "скользящий зажим" - sliding clamp - фермент, увеличивающий стабильность связи ДНК-полимеразы с ДНК - обладают округлой формой и "заякоривают" полимеразу на ДНК. Увеличивает время пребывания фермента на ДНК на несколько порядков. Обнаружен у бактерий, архей, эвкариот и вирусов.


2. HolB погрузчики зажима, clamp loader

3. PolI-A - 3'-5'-экзонуклеазная субъединица ДНК-полимеразыI.

4 RecA, вовлекаемый в рекомбинационную репарацию.

Дивергенция первых трёх белков соответствует дивергенции 16–18S, что говорит об исключительно вертикальном наследовании данных генов, тогда как для HolB было показано, что он вовлечён в горизонтальный перенос генов.
Поэтому вопрос о том, что возникло раньше - ДНК-организмы или LUCA остаётся дискуссионным до сих пор. Возможны две альтернативные ситуации - у LUCA уже существовал синтез ДНК, однако при дивергенции каким-то не совсем ясным образом произошло замещение неортологичных генов. Хотя имеющиеся данные и не позволяют окончательно отвергнуть эту модель, она предполагает не совсем ясный механизм такой глобальной замены.

Кунин с соавт. выдвинули в некотором роде компромиссный взгляд, предположив, что первоначально какая-то часть генома всё-таки была и в форме ДНК, и в форме РНК,  не затем окончательная передача эстафеты ДНК как главной информационной молекуле произошло независимо [Leipe D. D., Aravind L., Koonin E.V. 1999].

Такая модель хорошо совместима с фактом присутствия некоторых общих ферментов аппарата репликации и репарации у всех трёх доменов жизни. Согласно этой модели до стадии дивергенции большую роль у LUCA играли ферменты, связанные с обратной транскрипцией, образованием "погрузчика зажима", "скользящего зажима",  ДНК-лигазы и топоизомеразы I.

Что касается самих ДНК-зависимых РНК-полимераз, то сейчас уже ясно, с какой лёгкостью они меняют специфичность от РНК к ДНК (иногда достаточно даже нескольких аминокислотных замен, если мне не изменяет память).

[LUCA]

Переход к миру ДНК должен был обеспечиваться появлением по крайней мере четрырёх ферментов (или групп ферментов).

1. В первую очередью должны были возникуть рибоункулеотид-редуктаза. Появление данного фермента сделало принципиально возможным синтез ДНК de novo безматрично. Не ясно, однако, происходил ли синтез ДНК de novo, и если происходил, то какую роль при этом выполняли de novo синтезированные молекулы.

2. На следующем этапе или одновременно с рибонуклеотид-редуктазой должны была появиться обратная транскриптаза из РНК-зависимой РНК-полимеразы и ДНК-зависимая РНК-полимераза. Эти два фермента составляют минимум, который обеспечивают уже появление ДНК, способной перенести наследсвенную информацию с РНК на ДНК и устойчиво хранить её и реализовывать в виде транскрипции.

3. И наконец, на заключительном этапе должны были возникнуть ДНК-зависимые ДНК-полимеразы, способные уже воспроизводить наследственную информацию непосредственно с ДНК на ДНК.

4. Правда данные молекулы ДНК должны были ещё содержать вместо тимина урацил. Предполагается, что первым наиболее вероятным шагом в появлении ДНК было формирование ДНК, содержащей урацил, или U-ДНК, так как рибонуклеотидредуктазы производят dUTP (или dUDP) из UTP (или UDP), но не dTTP из TTP (тимидинтрифосфат в клетке не существует). Этот факт является сильнейшим доводом в пользу того, что появление U-DNA предшествовало возникновению T-DNA. В настоящее время известен единственный вирус, имеющий вместо тимина урацил, - PBS1, заражающий сенную палочку. Вполне возможно, что  урациловая форма ДНК данного вируса являетя реликтом, уцелевшим со времён начала появления форм жизни, основанных на ДНК.

Происхождение U-DNA в рибонуклеопротеиновом мире логически подразумевает, что второй шаг в синтезе предшественников ДНК – формирование нуклеотида T, катализировался предковой тимидилатсинтазой (TdS). В течение долгого времени считалось, что все современные тимидилатсинтазы являются гомологами ThyA белка E.coli, и что нуклеотид T был изобретен только однажды. Однако сравнительный генетический анализ недавно показал отсутствие ThyA во многих геномах архей и бактерий и об открытии нового семейства тимидилатсинтаз (ThyX). ThyX и ThyA последовательности не имеют структурного сходства друг с другом и имеют различные механизмы действия. По всей вероятности тимидилатсинтазная активность была изобретена независимо дважды. T-DNA могла появиться или в двух различных U-ДНКовых клетках, или возникновение второй тимидилатсинтазы могло произойти в клетке, уже содержащей T-ДНК геном. Первая возможность указывает, что сама T-ДНК была изобретена дважды, таким образом, предполагая сильное давление естественного отбора для выбора модификации урацила. Во втором случае, можно предположить, что новый фермент (или ThyA или ThyX) принес селективное преимущество организму.


Тем не менее, основная часть аппарата репликации ДНК у разных доменов вряд ли может иметь общее происхождение, в пользу чего говорит анализ аппаратов репликации архей и бактерий - этот аппарат должен был возникнуть независимо по крайней мере дважды, особенно ДНК-полимеразы и праймазы

Дело запутывается также тем, что, как оказалось ДНК-полимераз только у одних эвкариот оказалось слишком много. Ещё совсем недавно было описано только пять эукариотических ДНК-полимераз. Однако в течение последних 15 лет в клетках эукариот были обнаружены еще 11 ДНК-полимераз.
Что настолько древнее, и что было получено горизонтальным переносом - это очень большой вопрос.

[LUCA]

Рибонуклеотидредуктаза (RNR) - фермент, имеющий общее происхождение в трёх доменах.

Появление ДНК из РНК связывается с превращением остатка рибозы в остаток дезоксирибозы с помощью восстановления. В современных организмах это восстановление обусловлено действием фермента, названного рибонуклеотидредуктазой. В настоящее время анализ последовательностей субъединиц и их кристаллических структур этих ферментов у представителей всех трёх доменов жизни (архей, бактерий, эвкариот) показывает их общее происхождение. Этот факт хорошо совместим с предположением о том, что синтез ДНК был возможен уже на стадии прогенота - LUCA.

Однако единое эволюционное происхождение рибонуклеотидредуктаз остаётся до сих пор слишком запутанным. Тому есть несколько причин. Во-первых, филогенетическое распределение каталитических субъединиц не является полностью ясным для трёх доменов. У бактерий обнаруживаются представители всех трёх классов, у архей - второго и третьего класса, у эвкариот - только первого класса.

Во-вторых, редуктазы в действительности могли подвергаться горизонтальному переносу [Torrents E. et al. 2002].

Хотя редуктазы выполняют сходные реакции, они способны их выполнять при разных условиях: класс I строго аэробный, класс II - как аэробный, так и анаэробный, класс III - строго анаэробный. Как следствие, многе организмы могут обладать более, чем одним классом ферментов и терять/приобретать редуктазу при изменении условий.
В-третьих, всё-таки уровень гомологии между классами на пределе разрешения - настолько он низкий.

[LUCA]

Прошу прощения, наверно это нужно было выложить в ветке "Геном LUCA". Буду очень благодарен за обсуждение этого довольно нетривиального вопроса и  за новые ссылки.

[Ярослав Смирнов]

Кстати, к вопросу об РНК-мире. У кого из участников есть мал-мала подробный обзор такой группы как реовирусы?
Двухцепочечные РНК-вирусы, капсид двуслойный, рибозимазная активность для них показана ещё в 1969 году. Внутренний слой капсида+РНК могут продуцировать новую РНК. Для некоторых, например для вируса синего языка овец, показано, что РНК-зависимая РНК-полимераза это белок внутреннего слоя капсида. Для некоторых, по слухам, для вируса лихорадки Кемерова, даже чистая РНК может на некоторых средах себя дуплицировать.
Что нового по этому поводу известно?

[Комбинатор]

Кунин с соавт. выдвинули в некотором роде компромиссный взгляд, предположив, что первоначально какая-то часть генома всё-таки была и в форме ДНК, и в форме РНК,  не затем окончательная передача эстафеты ДНК как главной информационной молекуле произошло независимо [Leipe D. D., Aravind L., Koonin E.V. 1999].

Такая модель хорошо совместима с фактом присутствия некоторых общих ферментов аппарата репликации и репарации у всех трёх доменов жизни. Согласно этой модели до стадии дивергенции большую роль у LUCA играли ферменты, связанные с обратной транскрипцией, образованием "погрузчика зажима", "скользящего зажима",  ДНК-лигазы и топоизомеразы I.

Для меня в этой схеме не очень понятно преимущество ДНК-РНК-го этапа перед чисто РНК-ым. Основные проблемы РНК-геномов, как я понимаю, низкая точность репликации и нестабильность длинных цепочек РНК. Если ДНК самокопировалась посредством промежуточного этапа РНК-генома, то не нивелировались ли при этом преимущества ДНК-генома за счёт ошибок и повреждений, накапливающихся в её РНК "слепке"? А ведь геном LUCA был достаточно большим, по некоторым оценкам, не менее 1000 генов, что вполне сравнимо с геномами некоторых современных бактерий.

Что касается самих ДНК-зависимых РНК-полимераз, то сейчас уже ясно, с какой лёгкостью они меняют специфичность от РНК к ДНК (иногда достаточно даже нескольких аминокислотных замен, если мне не изменяет память).

Это интересно, у меня уже давно есть некое смутное ощущение, что на ранних этапах эволюции репликация ДНК/РНК и синтез белков могли быть совмещены.

[Комбинатор]

Учитывая, что тимин, это просто метилированный урацил, вполне возможно, что указанный переход действительно мог произойти дважды. Кажется, я где-то читал, что геном с тимином существенно более стабилен, так что, указанный переход вполне мог сразу давать ощутимые преимущества.

Тем не менее, основная часть аппарата репликации ДНК у разных доменов вряд ли может иметь общее происхождение, в пользу чего говорит анализ аппаратов репликации архей и бактерий - этот аппарат должен был возникнуть независимо по крайней мере дважды, особенно ДНК-полимеразы и праймазы

Дело запутывается также тем, что, как оказалось ДНК-полимераз только у одних эвкариот оказалось слишком много. Ещё совсем недавно было описано только пять эукариотических ДНК-полимераз. Однако в течение последних 15 лет в клетках эукариот были обнаружены еще 11 ДНК-полимераз.
Что настолько древнее, и что было получено горизонтальным переносом - это очень большой вопрос.

Что касается ДНК-полимераз, то если верить википедии, основные архейные полимеразы (Pol B) имеют высокую степень гомологии с бактериальными полимеразами, занимающимися восстановлением повреждений ДНК (Pol II), не могли ли они от них и прозойти? Что касается праймаз, то я этот вопрос пока не исследовал, надо будет подумать. И ещё. Как выяснилось в последние годы, структурная гомология гораздо более стабильна, чем аминокислотная. Под действием разных факторов (например, изменения температуры и кислотности внешней среды) большая часть аминокислот может быть заменена на другие, лучше подходящие для изменившихся условий, но выполняющих схожие структурные функции (о том, что на ранних этапах эволюции белки могли кодироваться весьма "приблизительно", но, тем не менее, сами белки при этом более-менее сохраняли свою 3D структуру и функциональнрсть вы, помнится, и сам писали в одной из своих статей). Так вот, как пишет Мосевицкий, несмотря на то, что некоторые компоненты репликации ДНК у арахей и бактерий негомологичны, на структурном уровне они практически идентичны. 

[Комбинатор]

Рибонуклеотидредуктаза (RNR) - фермент, имеющий общее происхождение в трёх доменах.

Появление ДНК из РНК связывается с превращением остатка рибозы в остаток дезоксирибозы с помощью восстановления. В современных организмах это восстановление обусловлено действием фермента, названного рибонуклеотидредуктазой. В настоящее время анализ последовательностей субъединиц и их кристаллических структур этих ферментов у представителей всех трёх доменов жизни (архей, бактерий, эвкариот) показывает их общее происхождение. Этот факт хорошо совместим с предположением о том, что синтез ДНК был возможен уже на стадии прогенота - LUCA.

Однако единое эволюционное происхождение рибонуклеотидредуктаз остаётся до сих пор слишком запутанным. Тому есть несколько причин. Во-первых, филогенетическое распределение каталитических субъединиц не является полностью ясным для трёх доменов. У бактерий обнаруживаются представители всех трёх классов, у архей - второго и третьего класса, у эвкариот - только первого класса.

По моему, здесь с точки зрения здравого смысла как раз всё более менее ясно. И эукариоты и археи произошли от бактерий. Простая аналогия - когда какая-то небольшая группа людей несколько десятков тысяч лет назад перешла по льду Бериногов пролив, положив начало появлению американских аборигенов, то среди них оказались лишь люди с 1-ой и 2-й группами крови. А до Южной Америки в результате тоже дошли далеко не все, там у коренных аборигенов вообще есть лишь люди с первой группой крови. Это известный эффект "бутылочного горлышка".  

По поводу гоизонтального переноса - конечно, это тоже возможно, по хорошему нужно детально рассмотреть все аргументы за и против этой гипотезы. Если же пока аргументов ни за, ни пртив нет, в соотвтствии с принципом бритвы Оккама более вероятно всё же вертикальное наследование.

[Комбинатор]

Прошу прощения, наверно это нужно было выложить в ветке "Геном LUCA". Буду очень благодарен за обсуждение этого довольно нетривиального вопроса и  за новые ссылки.

Мне кажется, это не принципиально, где обсуждать эту интересную тему. Я сейчас заканчиваю статью про наиболее древние следы жизни на Земле и в метеоритах, после чего собираюсь всё же взяться за статью про геном LUCA.

[LUCA]

Прошу прощения, наверно это нужно было выложить в ветке "Геном LUCA". Буду очень благодарен за обсуждение этого довольно нетривиального вопроса и  за новые ссылки.

Мне кажется, это не принципиально, где обсуждать эту интересную тему. Я сейчас заканчиваю статью про наиболее древние следы жизни на Земле и в метеоритах, после чего собираюсь всё же взяться за статью про геном LUCA.

Замечательно. А я пока отшлифовываю статью про начало дивергенции у LUCA, которая не была абсолютна, а вначале затронула лишь коровую часть генома - некоторые "центры кристаллизации" из прогенота.

[LUCA]

Для меня в этой схеме не очень понятно преимущество ДНК-РНК-го этапа перед чисто РНК-ым.

По Кунину первые ДНК-организмы - это в некотором роде вирусы, которые благодаря низкой мутабильности ДНК и высокой стабильности оказались способными широко распространиться у своих РНК-хозяев.
Несколько напоминает ситуацию со многими современными вирусами с видоизменёнными геномами - с гидроксиметилированной дезоскирибозой, с ацетилированными тиминами и т.д.

[Комбинатор]

По Кунину первые ДНК-организмы - это в некотором роде вирусы, которые благодаря низкой мутабильности ДНК и высокой стабильности оказались способными широко распространиться у своих РНК-хозяев.
Несколько напоминает ситуацию со многими современными вирусами с видоизменёнными геномами - с гидроксиметилированной дезоскирибозой, с ацетилированными тиминами и т.д.

Такой сценарий, в принципе, выглядит вполне возможным, но всё же на более ранних этапах эволюции, ещё до LUCA c его нереалистично большим для РНК-мира геномом.

[LUCA]

По Кунину первые ДНК-организмы - это в некотором роде вирусы, которые благодаря низкой мутабильности ДНК и высокой стабильности оказались способными широко распространиться у своих РНК-хозяев.
Несколько напоминает ситуацию со многими современными вирусами с видоизменёнными геномами - с гидроксиметилированной дезоскирибозой, с ацетилированными тиминами и т.д.

Такой сценарий, в принципе, выглядит вполне возможным, но всё же на более ранних этапах эволюции, ещё до LUCA c его нереалистично большим для РНК-мира геномом.

Логично. ДНК была у LUCA. Но вопрос остаётся открытым - дважды ли были "изобретены" ДНК-реплицирующиеся системы?
Не искючено, что до ДНК-репликации ДНК была в роли съёмного диска - переписывалась информация от РНК к ДНК, затем от ДНК к РНК. Лишь потом от ДНК к ДНК. А вот была ли изобретена репликация ДНК один раз - это большой вопрос.
Наверно эти две альтернативные модели пока обе вполне допустимы. Не следует забывать и о сосуществовании прогенота с ДНК-формами жизни. Сколько раз от них независимо отпочковывались ДНК-организмы? Наверно между моделями пока равенство.

[Комбинатор]

Логично. ДНК была у LUCA. Но вопрос остаётся открытым - дважды ли были "изобретены" ДНК-реплицирующиеся системы?
Не искючено, что до ДНК-репликации ДНК была в роли съёмного диска - переписывалась информация от РНК к ДНК, затем от ДНК к РНК. Лишь потом от ДНК к ДНК. А вот была ли изобретена репликация ДНК один раз - это большой вопрос.
Наверно эти две альтернативные модели пока обе вполне допустимы. Не следует забывать и о сосуществовании прогенота с ДНК-формами жизни. Сколько раз от них независимо отпочковывались ДНК-организмы? Наверно между моделями пока равенство.

Я больше склоняюсь к однократному возникновению механизма репликации ДНК, но согласен, что объективно есть факты как за, так и против. Наверное, надо подождать, пока не откроется какая-нибудь новая информация по этому вопросу.

[василий андреевич]

А вот была ли изобретена репликация ДНК один раз - это большой вопрос.

Если обратиться к физической составляющей проблемы появления "сложности", то предпочтительней будет многократное появление ДНК с последующим вырождением ее носителей в РНК носители. До тех пор, пока эволюция РНК-мира не выработает "условия" для стабильного функционирования ДНК-организма.