Микрокапли решили проблему фосфора в добиологической РНК
Спонтанное присоединение фосфора к органическим молекулам термодинамически невыгодно, однако возможно, если процесс происходит не в растворе, а в микрокаплях, показали химики из Стэнфорда. Ученым удалось воссоздать в микрокаплях процессы, которые, возможно, лежали в основе абиогенеза первых молекул РНК — неферментативного фосфорилирования рибозы и образования рибонуклеозида. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Фосфорилирование является одной из ключевых реакций в живых клетках. Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот (РНК и ДНК), многих липидов в составе клеточной стенки, активность множества внутриклеточных белков регулируется путем фосфорилирования. В клетках все эти процессы осуществляются при участии ферментов, и чаще всего донором фосфата выступает АТФ. Однако в водном растворе реакция присоединения фосфата невыгодна с термодинамической точки зрения, поэтому этап включения фосфора в первые органические молекулы остается загадкой для ученых, которые занимаются проблемами происхождения жизни.
Химики из Стэнфорда совместно с корейскими коллегами из института науки и технологии Тэгу-Кёнбук предположили, как могли появиться первые рибонуклеозиды — компоненты РНК. Именно молекулы РНК, а не белки, в соответствии с гипотезой РНК-мира, стали первыми биогенными молекулами, способными осуществлять репликацию самих себя и катализ химических реакций.
Ученые смогли осуществить неферментативный синтез рибонуклеозида уридинмонофосфата из урацила, рибозы и ортофосфорной кислоты. Ключевым этапом в этой реакции является образование рибозо-1-фосфата, которое в норме не идет в водном растворе. Однако авторы работы показали, что эта реакция может протекать в микрокаплях.
По всей видимости, на поверхности микрокапель происходит упорядочивание молекул, которое позволяет ускорить некоторые реакции в миллион раз. Ранее ученым удалось без участия катализатора провести в микрокаплях ряд химических и биохимических реакций, включая окислительно-восстановительные реакции, формирование связей между атомами углерода и сворачивание белка.
В эксперименте авторы работы распыляли раствор сахара с ортофосфорной кислотой в масс-спектрометре и наблюдали спонтанное появление новых соединений. При комнатной температуре и нормальном давлении таким образом удалось получить значительные количества фосфорилированной рибозы, глюкозы, галактозы и фруктозы. Выход фосфорилированных сахаров в среднем составил десять процентов от общего количества сахара в растворе. Фосфорилирование всех сахаров происходило по первому атому углерода.
Исследователи рассчитали свободную энергию фосфорилирования рибозы в микрокаплях и показали, что ΔG процесса при комнатной температуре составляет −1,1 ккал/моль, то есть с точки зрения термодинамики процесс может идти самопроизвольно. Для сравнения, в растворе эта величина больше нуля и составляет 5,4 ккал/моль.
На следующем этапе эксперимента авторы распылили раствор, содержащий рибозу, ортофосфорную кислоту и урацил, чтобы продемонстрировать возможность спонтанного синтеза рибонуклеозидов. Выход уридинмонофосфата составил два с половиной процента. При этом в микрокаплях, содержащих только рибозу и урацил, химической реакции между ними не происходило.
Выводы исследователей подтверждают гипотезу о том, что реакции абиогенного синтеза на заре зарождения жизни могли происходить в водяных микрокаплях, которые широко распространены в природе (облака, туман, брызги волн).
Ранее мы
об обратном случае, когда ученые нашли в природе фермент, осуществляющий классическую реакцию органического синтеза.
Дарья Спасская
Также на когнитивное снижение повлияли варианты Гена APOE: аллель APOE4 его ускорила, а аллель APOE2 — замедлила
Исследователи из Колумбии и США изучили, как генотип аполипопротеина и годы образования влияют на когнитивные функции при наследственной болезни Альцгеймера. Выяснилось, что у носителей мутации PSEN1 E280A, связанной с семейной болезнью Альцгеймера, когнитивное снижение наступает раньше и развивается быстрее, если у них в то же время есть аллель APOE4, а у таких же носителей, но с аллелью APOE2, это снижение происходит медленнее. Также более медленное снижение когнитивных способностей было характерно для пациентов, которые больше лет жизни потратили на учебу, — и это к тому же ослабляло влияние особенно опасных вариантов APOE. Результаты опубликованы в Nature Communications. При семейной или наследственной болезни Альцгеймера (БА) когнитивный спад наступает рано и за несколько лет прогрессирует до слабоумия. Семейную болезнь Альцгеймера вызывают некоторые мутации, например, мутация E280A в гене мембранного белка пресенелина PSEN1. Еще один ген, влияющий на развитие и течение БА — ген белка аполипопротеина Е (APOE). Разные варианты этого гена связаны с большим или меньшим риском спорадической (ненаследственной) болезни Альцгеймера: аллель APOE4 повышает риск, а аллель APOE2 снижает его. О том, как варианты APOE влияют на развитие семейной БА известно мало. Одно небольшое исследование показало, что деменция у носителей мутации PSEN1 E280A наступает раньше, если у них есть аллель APOE4. Другое исследование не обнаружило влияния APOE4, но выявило, что аллель APOE2 задерживает клиническое начало заболевания примерно на 8 лет. Кроме того, на развитие БА влияют другие факторы: образ жизни, социально-экономические условия и другие показатели здоровья. Стефани Лангелла (Stephanie Langella) из Гарвардской медицинской школы вместе с коллегами из Колумбии и США решила выяснить, как варианты APOE и количество лет учебы влияют на когнитивные показатели пациентов с наследственной БА (исследователи не выделяли отдельно высшее образование или ученую степень, а смотрели именно на число лет, уделенных образованию). Для этого они проанализировали данные 675 носителей мутации E280A и 594 пациентов, у которых этой мутации не было. Носители и неносители мутации были членами одних и тех же семей. Ученые сравнивали баллы пациентов в краткой шкале оценки психического статуса (MMSE), которую используют для диагностики клинических проявлений деменции. Баллы MMSE у носителей и неносителей мутации PSEN1 E280A начинали различаться уже в возрасте 31,5 года — с этого момента когнитивные показатели носителей снижаются намного быстрее. У пациентов с мутацией E280A, у которых также была аллель APOE4 (141 человек), клиническое начало БА было более ранним, а у пациентов с мутацией E280A, но без аллели APOE4 (534 человека) — наоборот, наступало позже. Расхождения начинались в возрасте 44,3 лет — как раз во столько появляются первые признаки болезни Альцгеймера у пациентов с наследственной формой. Другая аллель, APOE2, напротив, была связана с более медленным когнитивным снижением в группе носителей PSEN1 E280A. А вот когнитивные траектории пациентов без мутации E280A были примерно одинаковыми и не зависели в от варианта APOE. Также исследователи обнаружили, что возраст начала клинических проявлений БА у пациентов с мутацией PSEN1 E280A зависел от количества лет, которые они потратили на учебу. Их когнитивные показатели снижались тем медленнее, чем больше они учились, — и это проявлялось особенно сильно у носителей аллели APOE4 и неносителей APOE2. То есть отрицательный эффект аллели APOE4 ослаблялся. Почти то же было и с неносителями мутаций, связанных с БА: более долгая учеба была связана с более высокими баллами MMSE, но здесь варианты APOE роли не играли. Пока не ясно, как именно аллель APOE4, связанная с большим риском, ухудшает течение семейной болезни Альцгеймера, и как другая аллель — APOE2 — от нее защищает. Но, как видно, большая продолжительность учебы снижает дополнительный риск. А иногда от вредного действия мутаций защищают другие мутации. Недавно исследователи обнаружили мутацию, которая отсрочила развитие семейной болезни Альцгеймера у мужчины. Это был редкий вариант гена RELN — H3447R или RELN-COLBOS. Клинические проявления начались у пациента почти на 20 лет позже обычного. Мужчина был не первым счастливчиком: до этого подобный случай был с женщиной, у нее мутация была как раз в гене APOE.