Химики подтвердили возможность одновременного появления ДНК и РНК на заре жизни
Химики и молекулярные биологи синтезировали нуклеозиды ДНК и РНК из одних и тех же компонентов, сообщается в Nature. Это показывает, что нуклеиновые кислоты обоих типов могли образоваться в одно и то же время, а не последовательно (сначала РНК, потом ДНК), как считали некоторые сторонники теории мира РНК.
Чтобы передавать генетическую информацию, нужно копировать (реплицировать) несущие ее молекулы — РНК и ДНК. РНК поддерживает собственную репликацию, а для копирования ДНК нужны ферменты ДНК-полимеразы. Это белки, и они могут появиться, только если уже есть соответствующие молекулы РНК. Последние теоретически способны выступить и в качестве источника информации о составе ДНК-полимераз, и в качестве катализатора их образования. Биологическая система, в которой есть только РНК, но нет ДНК, может самовоспроизводиться, а система с ДНК, но без РНК — нет. Поэтому ряд биологов считает, что сначала возникли РНК-объекты, а уже потом появилась ДНК и произошло разделение функций: РНК осталась матрицей для синтеза белков и катализатором, а ДНК стала хранителем информации. Гипотеза мира РНК, в рамках которой развиваются эти взгляды, в последние годы находит много подтверждений.
Однако не вполне понятно, как дезоксирибонуклеиновая кислота отделялась от рибонуклеиновой, как они сосуществовали в первое время. ДНК и РНК собираются из нуклеотидов — небольших молекул из сахара рибозы или ее производного дезоксирибозы, азотистого основания и фосфатной группы (если фосфатной группы нет, соединение называется нуклеозидом). Нуклеотиды в составе ДНК и РНК разные: у первых в рибозе на один атом кислорода меньше, чем у вторых, также в ДНК может быть азотистое основание тимин, но не урацил (он в РНК). Реакции синтеза таких нуклеотидов требуют разных условий, и это аргумент в пользу того, что ДНК не «произошла» от РНК, а сосуществовала и, скорее всего, коэволюционировала с ней.
Исследователи из Великобритании и Польши во главе с Джоном Сарезлендом (John Sutherland) из Кембриджского университета проверили, могли ли одновременно синтезироваться нуклеозиды ДНК и РНК. В 2009 году они уже пробовали создать «кирпичики» нуклеиновых кислот из циановодорода и других простых молекул под действием ультрафиолета и выяснили, что для образования нуклеозидов не обязательно собирать их из сахара и азотистого основания. В тех экспериментах сразу получились соединения с рибозой и пиримидинами в составе — ангидронуклеозиды, стадий со свободными рибозой и азотистыми основаниями не было. Теперь ученые проанализировали, какие промежуточные продукты получались в тех реакциях, и попробовали синтезировать на их основе дезоксирибонуклеозиды.
В новых экспериментах удалось получить соединения, которых в 2009 в продуктах не обнаружили, — дезоксиаденозин и дезоксиинозин (из второго можно получить гуанозин). Кроме того, оказалось, что пуриновые (аденозин, гуанозин) нуклеозиды можно синтезировать примерно в тех же условиях, и пиримидиновые (цитидин, уридин, 5-метилуридин), а раньше их удавалось получить совместно разве что последовательно меняя влажность. В продуктах реакций нашли все нуклеозиды, нужные для построения ДНК и РНК (добавление к нуклеозидам фосфата авторы считают простой операцией, и она не должна ограничивать сборку более сложных молекул), а это значит, что нуклеиновые кислоты обоих типов могли появиться в одно время.
Сазерленд предполагает, что первые молекулы нуклеиновых кислот представляли собой гибриды ДНК и РНК. Однако молекулы-химеры, которые составлены из рибонуклеотидов и дезоксирибонуклеотидов, не очень устойчивы и должны были бы быстро распадаться на фрагменты «чистых» ДНК и РНК — или, вероятно, не образовываться вовсе. Правда, не все сторонники гипотезы мира РНК считают, что дезоксирибонуклеиновая кислота должна была формировать гибриды с рибонуклеиновой.
Происхождение жизни и ее эволюция — невероятно масштабные и сложные темы. Изучить их силами одних только биологов или одних только химиков невозможно, необходима работа самых разных специалистов. Это понимает один из величайших биологов нашего времени Евгений Кунин, автор книги «Логика случая» и лауреат премии имени Георгия Гамова 2018 года. Интервью с ним можно почитать тут.
Светлана Ястребова
Это произошло после формирования нейронной связи между клетками циркадных часов и Dh44-нейронами
Биологи определили момент, в который циркадные часы начинают управлять циклами сна и бодрствования у личинок плодовых мушек. Оказалось, это происходит в начале третьего дня развития под влиянием новой связи между нейронами циркадных часов и клетками Dh44, которые контролируют бодрствование личинок. Кроме того, после формирования этой связи у личинок появилась долгосрочная память. Исследование опубликовано в журнале Science Advances. Циркадные ритмы у многих видов формируются еще на самых ранних этапах развития. Так, например, у млекопитающих клетки супрахиазматического ядра детеныша синхронизируют свою ритмическую активность еще во время беременности. Однако многие матери новорожденных могут подтвердить, что дети в этом возрасте редко спят ночью и бодрствуют днем — в основном их сон равномерно распределен по суткам. Исследования подтверждают, что циклы сна и бодрствования у младенцев чаще всего появляются от трех до двенадцати месяцев. До сих пор не было понятно, почему, несмотря на работу клеток циркадных часов, циклы сна и бодрствования формируются довольно поздно и как этот процесс влияет на другие функции мозга — например, долговременную память. Исследователи из университета Пенсильвании под руководством Эми По (Amy R. Poe) изучили аналогичный процесс на дрозофилах. Биологи отследили момент, в который у личинок мушек появляются циклы сна и бодрствования — это произошло в начале третьего дня развития. Чтобы понять, что именно происходит с циркадными ритмами в этот момент, исследователи изучили активность нейронов мозга у личинок. Прежде всего они проверили нейроны, которые производят нейропептид Dh44, поскольку они расположены в области циркадных часов у взрослых мушек.Для этого они создали трансгенных насекомых, у которых эти клетки синтезировали теплочувствительный ионный канал. Таким образом, когда личинок помещали в теплую среду, в Dh44-нейронах начинался ионный ток и те активировались. Оказалось, что эти клетки действительно участвуют в регуляции циклов сна: после их активации личинки на второй стадии меньше спали в течение суток (p < 0,0001). Тогда исследователи решили изучить, как активность этих клеток меняется при переходе со второй стадии личинок на третью — в момент появления ритмов сна. Оказалось, активность Dh44 не отличается на первой и второй стадии, но снижается в начале третьей. Это согласовывалось и с повышенным количеством сна у личинок в этот день: активность нейронов снизилась и они перестали оказывать свое бодрящее действие на личинок. Биологи предположили, что в этот момент Dh44-нейроны связываются с клетками, которые задают общий циркадный ритм организму мушек. Для этого они отследили нейронные связи этого мозгового центра. И действительно, при переходе со второй стадии на третью Dh44-нейроны сформировали связь с одной из клеток часов — DN1a. Ученые также подтвердили, что активация DN1a действительно «включает» Dh44 и увеличивает длительность бодрствования у личинок. Тогда исследователи решили проверить, как появление связи циркадных ритмов с циклами сна и бодрствования влияет на другие процессы в мозге насекомых. Зная, что переход памяти из кратковременной в долговременную происходят во время сна, биологи протестировали оба типа памяти у животных. Для этого они использовали стандартный для таких задач тест — проверяли, как личинки запоминают отвратительные запахи. И на второй, и на третьей стадии личинки одинаково хорошо проходили тесты на кратковременную память, а вот долговременная память появилась лишь при переходе между ними. При этом активация Dh44-нейронов, которые снижали количество сна у личинок, нарушала процессы долговременной памяти. Так, биологи не только в подробностях описали, как клетки циркадного ритма начинают контролировать циклы сна и бодрствования, но и показали, что этот процесс очень важен для развития таких сложных когнитивных функций как долговременная память. Сон и память действительно тесно связаны — депривация сна способна даже стирать воспоминания. Недавно мы писали об исследовании, в котором такие воспоминания удалось восстановить у мышей.