РНК свят

Тази хипотеза за РНК света предполага, че животът на Земята е започнал с единична РНК молекула, която е можела да се копира без помощта на други молекули.

ДНК, РНК и протеините са централни за живота на Земята. ДНК съхранява инструкциите за изграждането на живите неща – от бактериите до пчелите. Протеините задвижват химичните реакции, необходими за поддържане на клетките живи и здрави. Доскоро се смяташе, че РНК е предимно посредник между ДНК и протеините, който носи инструкции под формата на информационна РНК (иРНК) за изграждане на протеини. Но РНК може да върши много повече. Тя може да задвижва химични реакции подобно на протеините, и носи генетична информация подобно на ДНК. И понеже РНК може да върши тези две дейности, повечето учени вярват, че животът какъвто го познаваме е започнал като РНК свят без ДНК и протеини.

Как РНК е еволюирала на Земята? Учените мислят, че градивните блокове на РНК (нуклеотидите) са се появили в хаотична супа от молекули на ранната Земя. Тези нуклеотиди се свързали в едно, за да изградят първите РНК-и. Веднага след като били изградени, те били разградени; но нови били изградени на тяхно място. Някои РНК-и се оказали по-стабилни от други. Тези РНК вериги нараснали по-дълги и свързвали нуклеотиди по-бързо. В крайна сметка РНК веригите растели по-бързо, отколкото били разграждани. Това бил шансът на РНК да даде начало на живота.

Всички живи същества се възпроизвеждат. Те копират своята генетична информация и я предават на потомството си. И за да могат РНК да започнат живот, те също трябва да се възпроизвеждат. Ето защо учените смятат, че светът на РНК е тръгнал, когато се е появила РНК, която може да прави копия на себе си. Така са се появили нови самокопиращи се РНК. Някои били по-добри в копирането на себе си от други. РНК се състезавали една срещу друга и най-успешната спечелила. В продължение на милиони години тези РНК се размножавали и еволюирали, за да създадат армия от РНК машини. На някакъв етап ДНК и протеините се развили. Протеините започнали да предизвикват химична реакция в клетките и ДНК, която е по-стабилна от РНК, се заела със съхранението на генетична информация.

Поддържането на достатъчно РНК градивни блокове (нуклеотиди) би било топ приоритет в РНК света. Учените мислят, че нуклеотид-изграждащите РНК-и еволюирали рано на Земята, за да предоставят нуклеотиди за изграждане на нови РНК-и.

Според теорията за РНК света първите РНК-и били изградени чрез използване на свободно носещи се нуклеотиди, които възникнали в първичната супа от молекули. Те се свързали заедно, за да изградят вериги РНК, които не били много стабилни и деградирали бързо. Но някои били по-стабилни от други; тези РНК-и нараснали по-дълги и свързвали нуклеотиди по-бързо. В крайна сметка РНК веригите растели по-бързо, отколкото били разграждани – и това бил шансът на РНК. През милиони години тези РНК-и се умножили и еволюирали, за да създадат съвкупност от РНК машинария, която е основата на живота какъвто го познаваме днес. Но за да се образуват РНК молекули е било нужно обилно захранване с нуклеотиди. И учените мислят, че нуклеотид-пренасящите РНК-и са еволюирали, за да предоставят тези РНК градивни блокове.

Учените, които опитвали да пресъздадат условията на ранната Земя в епруветка, са успели да еволюират доста РНК машини, които могат да задвижват химични реакции, за да изградят някои части от един нуклеотид. Това доказва, че РНК може да задейства нуклеотид-изграждащи химични реакции. Но учените все още трябва да създадат РНК машина, която може да създаде цели нуклеотиди, като използва съставки, които биха били налични на примитивната Земя.

В РНК света учените мислят, че прости РНК-и се захванали за други РНК-и или молекули, за да образуват комплекси, които можели да променят, или подсилят, тяхната функция. Това било стъпка към по-сложен живот.

Рибозомите, които са машините за сглобяване на протеини на клетката, са изградени от рибозомни РНК-и (рРНК-и) и протеини. Но рРНК-и в рибозомата са еволюирали дълго преди рибозомните протеини. Обратно в РНК света е възможно една РНК да е уловила друга РНК, за да създаде РНК машина, която – за първи път – свързала аминокиселини в едно, за да изгради протеин. Следователно се появила първата версия на една рибозома.

Някои информационни РНК-и (иРНК-и) при бактериите и някои растения съдържат отрязък от код, наречен рибоключ, който може да улови специфична молекула. Прикрепянето на тази молекула контролира дали иРНК да бъде транслирана, за да се синтезира протеин. Молекулата може да е хранително вещество, което се прикрепя към иРНК рибоключа и задейства транслирането на иРНК, за да изгради протеин, който разгражда това хранително вещество. Така че иРНК-и, които съдържат рибоключове, могат да регулират себе си в отговор на специфични молекули. Преди се е смятало, че само протеини регулирали продукцията на протеин от иРНК; но рибоключовете насочват към регулационна система, която може да е съществувала в един РНК свят дълго преди протеините да са съществували.

Нашите клетки съдържат протеин-насочваща машина, изградена от РНК и протеини, която изпраща новоизградените протеини до местата, където са необходими в клетката. Тази машина се нарича сигнал-разпознаваща частица (SRP).

SRP търси протеини, които биват изграждани в клетъчната машина за сглобяване на протеини (рибозомата). Когато забележи началото на протеин, изпъкващ извън хромозомата, тя се прикрепя към него. Рибозомата спира производството на протеина, докато SRP занесе рибозомата и частично изградения протеин до където са необходими в клетката. След пристигането SRP се освобождава и синтезът на протеини започва отново.

РНК в SRP се среща във всички живи организми, което предполага, че е еволюирала в много ранни форми на живот. Когато протеините за пръв път се появили на Земята, ранна версия на тази протеин-насочваща РНК може да е помогнала за организиране на протеините в клетка. Може да е подобрила първичните клетки, като е насочвала протеини за образуване на цитоскелет. Един цитоскелет помага на клетката да поддържа системата си и е като магистрална система за транспортиране на молекули из клетката.

Една информационна РНК (иРНК) може да бъде "настроена" по различни начини, така че нейният генетичен код да бъде транслиран за изграждане на много различни протеини. Способността за изграждане на повече от един протеин от една иРНК ускорил еволюцията на многоклетъчните живи организми.

Новосъздадената иРНК е разрязана от молекулярна машина, наречена сплайсеозома, която е като ножиците и лепилото на клетката. Изградена от РНК-и и протеини, тази машина изрязва нежелани отрязъци от иРНК кода и залепва оставащата иРНК обратно заедно, за да създаде зряла иРНК, която може да бъде транслирана за изграждане на протеин.

През 70-те години на 20-ти век учените мислели, че един ген кодира една иРНК, която на свой ред кодира един протеин. Това е до голяма степен вярно за бактерии и други едноклетъчни организми; но в многоклетъчните организми един ген кодира една иРНК, която може да бъде разрязана по различни начини, за да създаде много различни протеини. Това се нарича алтернативен сплайсинг.

Алтернативният сплайсинг е хитър начин за създаване на разнообразни протеини от сравнително малък брой гени. Една от изненадите на Проекта за разчитане на човешкия геном била, че човешкият геном кодира малко гени. Учените прогнозирали, че би имало около 100 000 човешки гена, но броят бил по близо до 20 000. Тези гени се разрязват по различни начини, за да създадат огромен брой човешки протеини.

Появата на алтернативния сплайсинг в многоклетъчните форми на живот вероятно е ускорило еволюцията. То означавало, че организмът може да създаде нови протеини без да преминава през дългия процес на еволюиране на нови гени. Възникването на случайни мутации би довело до това съществуващи иРНК-и да бъдат разрязани по различни начини. Тези алтернативно разрязани иРНК-и кодирали чисто нови протеини, които може да са задвижвали чисто нови клетъчни процеси, придвижвайки напред еволюцията на сложния живот.

РНК машините вероятно са били централни за еволюционния скок от едноклетъчни към многоклетъчни форми на живот.

Многоклетъчният живот започва от едно единствено оплодено яйце. Тази клетка се дели на две клетки, които се делят отново... и това продължава. Скоро клетките в развиващата се форма на живот започват да извършват различни дейности. В едно растение те биха станали клетки на листата или корените. В едно животно те биха станали кръвни или нервни клетки. Има около 200 различни вида клетки в един човек и е жизненоважно всяка да бъде изградена на точното място в точното време в един човешки ембрион. Каква ще стане една клетка се определя от това какви молекулярни апарати – РНК-и и протеини – действат в тази клетка. И тези РНК-и и протеини, които са налични в клетката, се определят от транскрипционни фактори, които включват и изключват гените.

Получаваме насоки за молекулярните машини, които може да са задвижили скока към многоклетъчен живот, като проучваме как ембрионите се развиват в организмите днес. Любимо създание за еволюционните биолози е плодовата мушица. Една важна за развитието на плодовата мушица РНК се нарича бикоидна. Тя играе важна роля в организирането на плана на тялото на развиващата се плодова мушица. В неоплодено яйце на плодова мушица бикоидната РНК се среща в единия край на яйцето, който ще стане главата на мушицата. След като яйцето бъде оплодено, бикоидната иРНК се транслира за производство на протеин. Бикоидният протеин включва гени за протеините, изграждащи главата, и изключва гените за протеини, изграждащи опашката. Така че бикоидът казва на ембрионите на плодовата мушица точно къде да се развие главата.