Рибозимы Т. Чека и гипотеза мира РНК У. Гилберта

Долгое время в биологии считалось, что все ферменты — белки. В 1982 году американский химик Томас Чек обнаружил, что молекула РНК инфузории тетрахимены вырезает из себя лишний участок сама, без единого белка. Так открыли рибозимы — молекулы РНК, способные ускорять химические реакции. Через четыре года Уолтер Гилберт, нобелевский лауреат и один из создателей методов чтения ДНК, опубликовал в журнале Nature короткую заметку «Мир РНК». В ней он предположил, что когда-то жизнь обходилась без ДНК и белков: РНК и хранила наследственную информацию, и сама её копировала.

За сорок лет гипотеза мира РНК стала главным сценарием происхождения жизни. Выяснилось, что рибозим — сердце рибосомы, которая синтезирует все белки на Земле. В пробирке получили рибозимы, копирующие РНК, а в 2026 году — рибозим из 45 нуклеотидов, способный синтезировать собственную копию. В статье — что такое рибозим и как РНК катализирует реакции, как Чек и Сидни Олтмен открыли рибозимы, какие рибозимы работают в клетках, что утверждает гипотеза Гилберта, какие доводы её поддерживают и какие трудности остаются, как рибозимы получают отбором в пробирке и почему белки и ДНК в конце концов вытеснили РНК.

Статья входит в серию о разделе 6 кодификатора ЕГЭ-2027 (хаб серии). Об опытах Миллера и Юри, гипотезе Опарина — Холдейна и других гипотезах происхождения жизни — статья «Происхождение жизни», о строении РНК — «РНК: строение, виды, транскрипция». В конце — что писать на ЕГЭ, раздел для олимпиад и 15 заданий с разбором.

• Что такое рибозим
• Как изучали каталитические РНК
• Открытие Томаса Чека
• Рибонуклеаза Р и опыты Сидни Олтмена
• Как РНК катализирует реакции
• Природные рибозимы
• Рибосома — главный рибозим
• Гипотеза мира РНК Уолтера Гилберта
• Доводы в пользу мира РНК
• Трудности гипотезы
• Рибозимы из пробирки
• Точность копирования и порог ошибок
• Другие гипотезы и уточнения
• Почему белки и ДНК вытеснили РНК
• Рибозимы в медицине и технологиях
• Удивительные факты
• Что пока не решено
• Что писать на ЕГЭ
• Для олимпиад
• Задания с разбором
• Литература

Что такое рибозим

Катализатор снижает энергию активации реакции: он связывает исходные вещества (субстраты) и располагает их так, что нужные связи легче рвутся и образуются. Реакция идёт в активном центре — участке молекулы катализатора, где точно расположены химические группы, участвующие в превращении. Белки идеально подходят для этой роли. У двадцати аминокислот очень разные боковые группы: кислотные и основные, гидрофобные и полярные, содержащие серу. Белковая цепь сворачивается в точную трёхмерную форму, и из этих групп можно собрать активный центр почти для любой реакции.

РНК на этом фоне выглядит бедно: четыре нуклеотида с похожими азотистыми основаниями и отрицательно заряженный сахарофосфатный остов. Поэтому до 1980-х годов РНК считали лишь посредником: она переносит информацию от ДНК к рибосоме (мРНК), доставляет аминокислоты (тРНК) и служит каркасом рибосомы (рРНК). Но одноцепочечная РНК, в отличие от двухцепочечной ДНК, складывается сама на себя: комплементарные участки образуют короткие двойные спирали, между ними остаются петли, и молекула приобретает сложную пространственную форму с карманами. Этого оказалось достаточно, чтобы построить активный центр.

Рибозимы работают обычно медленнее белковых ферментов, но ускоряют реакции в миллионы и миллиарды раз по сравнению с реакцией без катализатора. Некоторые рибозимы — как и ферменты — работают многократно, превращая одну молекулу субстрата за другой. Другие катализируют реакцию в самих себе один раз (например, вырезают себя из цепи РНК). Их тоже называют рибозимами, хотя строго говоря это не катализаторы, а «самоизменяющиеся» молекулы.

Как изучали каталитические РНК

Мысль о том, что РНК может быть катализатором, возникла раньше, чем её подтвердили опыты. В 1967–1968 годах Карл Вёзе, Фрэнсис Крик и Лесли Оргел независимо рассуждали о происхождении генетического кода и пришли к одному выводу. Белки синтезируются по информации нуклеиновых кислот, а нуклеиновые кислоты копируются белками-ферментами. Чтобы разорвать этот круг, нужна молекула, умеющая и то и другое. Крик заметил, что рибосома состоит в основном из РНК, и предположил, что первая рибосома могла быть целиком из РНК. Но проверить это тогда было невозможно.

Опыты, показавшие, что РНК способна эволюционировать без клетки, поставил в 1960-х годах американский биолог Сол Шпигельман. Он брал РНК бактериофага Qβ и фермент, который её копирует, и каждые несколько минут переносил каплю смеси в свежую пробирку с нуклеотидами. Выигрывали молекулы, копирующиеся быстрее. Через 74 переноса РНК длиной около 4200 нуклеотидов укоротилась до нескольких сотен: всё, что нужно было вирусу для заражения клетки, оказалось лишним в пробирке. Этот «монстр Шпигельмана» стал первым примером дарвиновской эволюции молекул — но копировал РНК всё-таки белковый фермент.

Решающие открытия сделали в начале 1980-х годов Томас Чек и Сидни Олтмен, получившие за них Нобелевскую премию по химии 1989 года. Термин «мир РНК» ввёл в 1986 году Уолтер Гилберт. С 1990 года рибозимы научились получать искусственным отбором, а в 2000 году выяснилось, что пептидную связь в рибосоме образует РНК. Последние годы принесли рибозимы, копирующие другие рибозимы (2024), рибоза и азотистые основания в веществе астероида Бенну (2025) и маленький рибозим, синтезирующий свою копию (2026).

Открытие Томаса Чека

Томас Чек в Колорадском университете изучал, как созревает рибосомная РНК инфузории тетрахимены. Ген рРНК этой инфузории содержит интрон длиной 413 нуклеотидов. После транскрипции интрон должен быть вырезан, а соседние участки (экзоны) — сшиты. Чек искал белок, который это делает. Он выделял из ядер тетрахимены пре-рРНК и добавлял к ней ядерный экстракт. Интрон вырезался. Но вырезался он и в контрольной пробирке без экстракта — достаточно было ионов магния и гуанозина.

Первое объяснение было очевидным: к РНК прочно прилип какой-то белок тетрахимены, который и делает работу. Чек обработал препарат протеазами и фенолом, разрушающими и удаляющими белки, — реакция шла. Решающим стал следующий опыт. Группа Чека переписала ген с интроном в ДНК, встроенную в бактерию, а затем синтезировала РНК в пробирке с помощью РНК-полимеразы кишечной палочки. Белков тетрахимены в этой пробирке заведомо не было, а интрон всё равно вырезал себя сам. В 1982 году вышла статья с названием «Самосплайсирующаяся РНК». Катализатором оказалась сама РНК.

Химически реакция устроена изящно. Сплайсинг идёт в две ступени переэтерификации: в каждой одна фосфодиэфирная связь разрывается, а другая образуется. Поэтому общее число связей не меняется и источник энергии (АТФ) не нужен. Гуанозин служит не источником энергии, а «ключом»: его 3′-OH-группа начинает реакцию. В 1986 году Чек и Артур Зауг показали, что укороченный вырезанный интрон работает как настоящий фермент: многократно разрезает и сшивает другие молекулы РНК, не расходуясь. Это окончательно доказало, что РНК может быть катализатором в полном смысле слова.

Интроны, способные вырезать себя сами, назвали интронами группы I. Позже нашли интроны группы II — они вырезают себя другим путём, образуя промежуточное соединение в виде «лассо». Интроны обеих групп встречаются в генах бактерий, митохондрий и хлоропластов, грибов и растений.

Рибонуклеаза Р и опыты Сидни Олтмена

Канадско-американский биолог Сидни Олтмен в Йельском университете изучал рибонуклеазу Р — фермент, который отрезает лишний участок от 5′-конца предшественника тРНК. Этот фермент необычен: он состоит из белка и молекулы РНК длиной около 400 нуклеотидов. Сначала РНК считали вспомогательной частью. В 1983 году группа Олтмена показала, что при высокой концентрации ионов магния РНК бактериальной рибонуклеазы Р разрезает предшественник тРНК сама, без белка. Белок лишь ускоряет реакцию и помогает РНК в обычных условиях клетки. В отличие от интрона тетрахимены, РНК рибонуклеазы Р — настоящий фермент: она работает с чужими молекулами и многократно.

Рибонуклеаза Р есть во всех трёх доменах живого — у бактерий, архей и эукариот, и везде её основа — РНК. Это говорит о том, что фермент был уже у последнего общего предка всех организмов. Любопытное исключение нашли в 2008 году: в митохондриях человека рибонуклеаза Р состоит только из белков. Это один из немногих известных случаев, когда белок заменил рибозим.

Как РНК катализирует реакции

Большинство природных рибозимов катализируют реакции с участием фосфодиэфирных связей в самой РНК: разрыв цепи, перенос участка цепи, сшивание. Исключение — рибосома, образующая пептидную связь между аминокислотами. Рибозимы используют несколько приёмов.

1. Точная пространственная укладка. Шпильки, петли и двойные спирали образуют карман, в котором субстрат удерживается в нужном положении. Значительная часть ускорения достигается уже тем, что реагирующие группы сближены и правильно направлены.
2. 2′-OH-группа рибозы. У рибозы, в отличие от дезоксирибозы, есть гидроксильная группа у второго атома углерода. Она может атаковать соседний атом фосфора, и цепь разрывается. Этим путём работают рибозим «молоточек», рибозимы вироидов и многие другие. В ДНК этой группы нет, поэтому ДНК гораздо устойчивее и лучше подходит для хранения информации.
3. Ионы металлов. Ионы магния связываются с отрицательно заряженными фосфатами, нейтрализуют их отталкивание и стабилизируют укладку. Некоторые ионы прямо участвуют в реакции: активируют атакующую группу или стабилизируют уходящую.
4. Азотистые основания как кислоты и основания. В обычных условиях основания РНК почти не отдают и не принимают протоны. Но в определённом окружении внутри свёрнутой молекулы гуанин может отдать протон, а аденин или цитозин — принять его, как это делают остатки гистидина в белковых ферментах.

Сила рибозимов невелика в сравнении с белками, но впечатляет в сравнении с реакцией без катализатора. Рибосома ускоряет образование пептидной связи примерно в 10 миллионов раз. Рибозим «молоточек» разрезает РНК в миллионы раз быстрее, чем она разрывается сама по себе.

Природные рибозимы

После открытий Чека и Олтмена рибозимы стали находить повсюду. Сейчас известно более десяти классов природных рибозимов.

Многие рибозимы найдены у людей. В гене CPEB3 млекопитающих есть рибозим, похожий на рибозим вируса гепатита дельта; он влияет на работу гена, связанного с памятью. В 2021 году в длинной некодирующей РНК человека описали новый класс рибозимов, названный hovlinc. В геномах растений и животных найдены тысячи копий рибозима «молоточек» — многие из них входят в мобильные элементы.

Вироиды — самые маленькие из известных возбудителей болезней. Вироид — кольцевая молекула РНК длиной 250–400 нуклеотидов без белковой оболочки и без генов белков. Её копируют ферменты растения, образуя длинные цепи из многих копий, подряд соединённых друг с другом. У вироидов семейства Avsunviroidae эти цепи разрезают на отдельные молекулы встроенные рибозимы «молоточек». Вироид веретеновидности клубней картофеля открыл в 1971 году Теодор Динер. Вироиды часто называют «живыми ископаемыми» мира РНК: это молекулы, которые размножаются, сами себя разрезают и не кодируют белков.

Анализ огромных массивов последовательностей РНК из природных сообществ микроорганизмов в 2023 году выявил более 10 тысяч новых вироидоподобных кольцевых РНК, многие — с рибозимами. А в 2024 году в бактериях ротовой полости и кишечника человека нашли «обелиски» — кольцевые РНК около тысячи нуклеотидов, похожие на вироиды, но кодирующие белки неизвестной функции. Мир небольших самокопирующихся РНК оказался гораздо разнообразнее, чем думали.

Рибосома — главный рибозим

Рибосома бактерии примерно на две трети по массе состоит из РНК и на треть — из белков. Долгое время считали, что синтез белка катализирует какой-то из рибосомных белков, а рРНК служит каркасом. В 1992 году Гарри Ноллер показал, что большая субъединица рибосомы бактерии сохраняет способность образовывать пептидную связь после удаления большей части белков. Окончательный ответ дала структура. В 2000 году группы Томаса Стейца и Питера Мура в Йельском университете определили строение большой субъединицы рибосомы археи с атомным разрешением. Оказалось, что ближе 18 ангстрем к месту образования пептидной связи нет ни одного белка — только рРНК. Синтез всех белков на Земле катализирует РНК. В 2009 году Нобелевскую премию по химии за изучение строения рибосомы получили Томас Стейц, Венкатраман Рамакришнан и Ада Йонат.

Активный центр рибосомы — пептидилтрансферазный центр — состоит из двух почти симметричных половин. Ада Йонат предположила, что это след древней «протрибосомы» — пары соединившихся молекул РНК длиной около 60–70 нуклеотидов каждая. В 2022 году её группа показала, что такие искусственные димеры РНК способны образовывать пептидные связи. Рибосома, по-видимому, — самый древний и важный «молекулярный ископаемый» мира РНК: белки рибосомы, расположенные дальше от центра, были добавлены позже. Подробнее — в статье «Рибосома: строение, работа и происхождение».

Сплайсосома устроена похоже. Это машина из пяти малых ядерных РНК и около сотни белков, вырезающая интроны из пре-мРНК. В 2013 году показали, что в её активном центре реакцию катализируют ионы магния, удерживаемые малой ядерной РНК U6, — то есть сплайсосома тоже рибозим. Строение её центра похоже на центр интронов группы II, и многие биологи считают, что интроны ядерных генов и сплайсосома произошли от интронов группы II, «разобранных» на отдельные части.

Гипотеза мира РНК Уолтера Гилберта

Уолтер Гилберт — американский физик и биохимик, создатель (вместе с Алланом Максамом) одного из первых методов чтения последовательности ДНК, лауреат Нобелевской премии по химии 1980 года. В феврале 1986 года он опубликовал в Nature заметку на одну страницу под названием «Происхождение жизни: мир РНК». Гилберт рассуждал так. Если РНК может вырезать и сшивать сама себя, то можно представить молекулы РНК, которые собирают свои копии из нуклеотидов. Такие молекулы были бы и генами, и ферментами одновременно. Мир таких молекул мог эволюционировать: копии с ошибками давали изменчивость, лучше копирующиеся молекулы вытесняли остальные. Затем РНК «научилась» синтезировать белки — более совершенные катализаторы, — и наконец появилась ДНК как более надёжное хранилище информации.

Сама идея не была новой: о первичности РНК писали Вёзе, Крик и Оргел. Заслуга Гилберта в том, что после открытия рибозимов он изложил её как программу исследований и дал ей запоминающееся название. С тех пор гипотеза мира РНК стала основной рамкой, в которой химики и биологи обсуждают происхождение жизни. Важно понимать, что гипотеза не утверждает, будто жизнь возникла сразу в виде РНК. Она утверждает, что был этап, когда РНК выполняла функции и генов, и ферментов, и что следы этого этапа сохранились в современных клетках.

Доводы в пользу мира РНК

Прямых свидетельств мира РНК нет и быть не может: от него не осталось окаменелостей. Доводы косвенные — это «молекулярные ископаемые» в современных клетках и опыты в пробирке.

1. Самые древние процессы катализирует РНК. Образование пептидной связи в рибосоме, вырезание интронов в сплайсосоме, созревание тРНК — всё это работа РНК. Эти процессы есть у всех организмов и, значит, были у их общего предка.
2. Коферменты — нуклеотиды. АТФ, главный переносчик энергии, — рибонуклеотид. Коферменты НАД, ФАД, кофермент А содержат нуклеотидную часть, которая не участвует в реакции. Её проще всего объяснить как «ручку», за которую кофермент держал древний рибозим.
3. ДНК синтезируется из РНК. Клетка не умеет синтезировать дезоксирибонуклеотиды напрямую: она получает их из рибонуклеотидов с помощью фермента рибонуклеотидредуктазы. Тимин ДНК получается из урацила РНК. Значит, ДНК появилась позже РНК и происходит от неё.
4. Синтез ДНК начинается с РНК. ДНК-полимераза не может начать новую цепь — нужна короткая затравка (праймер), и в клетке это всегда РНК.
5. РНК может быть геномом. У многих вирусов — гриппа, кори, коронавирусов — наследственная информация записана только в РНК. Вироиды вообще обходятся одной РНК без белков.
6. Рибопереключатели. Многие мРНК бактерий сами «чувствуют» концентрацию веществ: участок мРНК связывает вещество и меняет форму, включая или выключая ген. Часто это вещества, похожие на нуклеотиды и коферменты, что тоже выглядит наследием мира РНК.
7. Опыты в пробирке. Отбором получены рибозимы, выполняющие почти все реакции, нужные миру РНК: сшивание цепей, копирование РНК по матрице, присоединение аминокислот к РНК, образование пептидной связи, синтез нуклеотидов.

Трудности гипотезы

У гипотезы мира РНК есть серьёзные проблемы, и сторонники гипотезы их не скрывают.

• Откуда взялись нуклеотиды. Нуклеотид — сложная молекула из азотистого основания, рибозы и фосфата. Рибоза образуется из формальдегида в формозной реакции, но вместе с десятками других сахаров и быстро разрушается. Соединить готовые основание и рибозу в пробирке долго не удавалось. В 2009 году Джон Сазерленд показал обходной путь: пиримидиновые рибонуклеотиды можно получить из цианамида, цианоацетилена, гликолевого и глицеринового альдегидов и фосфата, минуя стадию «свободная рибоза плюс основание». Позже его группа описала сеть реакций с участием цианида, сероводорода и ультрафиолета, дающую предшественники нуклеотидов, аминокислот и липидов одновременно. В 2019 году группа Томаса Кареля в Мюнхене предложила условия, в которых образуются и пиримидиновые, и пуриновые нуклеозиды.
• Одна зеркальная форма. Рибоза в РНК всегда одной зеркальной формы (D), а химический синтез даёт смесь двух форм. Нуклеотид «не той» формы, встроившийся в цепь, останавливает копирование. Как возник отбор одной формы, выяснено лишь частично.
• Неустойчивость РНК. Та же 2′-OH-группа, которая помогает катализу, делает РНК хрупкой: в воде, особенно при нагревании и в присутствии ионов магния, цепи рвутся.
• Копирование без ферментов. Чтобы мир РНК заработал, нужна первая молекула, умеющая копировать РНК. Но рибозим-полимераза — длинная сложная молекула, а случайно возникающие цепи короткие. Кроме того, после копирования две комплементарные цепи прочно слипаются, и их надо разделить.
• Точность копирования. Если копирование неточно, информация теряется быстрее, чем отбор успевает её сохранить (см. раздел о пороге ошибок).

Космос дал неожиданную поддержку. Азотистые основания нашли в метеоритах, например в Мурчисонском, упавшем в Австралии в 1969 году. В 2023 году урацил обнаружили в образцах астероида Рюгу, доставленных японским аппаратом «Хаябуса-2». В 2025 году в образцах астероида Бенну, доставленных американским аппаратом OSIRIS-REx, нашли все пять азотистых оснований ДНК и РНК, а позднее — и рибозу. Компоненты РНК образуются без участия жизни и на ранней Земле могли накапливаться — в том числе падая из космоса.

Рибозимы из пробирки

Если мир РНК существовал, в нём должны были работать рибозимы, которых нет в современных клетках. Проверить, возможны ли они, можно, получив их искусственно. В 1990 году две группы — Крейг Тюрк и Ларри Голд, а также Эндрю Эллингтон и Джек Шостак — предложили метод отбора молекул РНК в пробирке (его называют SELEX или эволюцией в пробирке).

Методом отбора получены рибозимы, которые в природе неизвестны. В 1993 году Дэвид Бартел и Джек Шостак получили из случайных последовательностей рибозим-лигазу, сшивающую цепи РНК в 7 миллионов раз быстрее, чем без катализатора. В 2001 году на её основе группа Бартела создала первую полимеразу-рибозим, которая наращивала цепь РНК по матрице, но лишь на 14 нуклеотидов. Затем последовательные улучшения позволили копировать цепи длиной почти 100 нуклеотидов (группа Филиппа Холлигера в Кембридже, 2011), а затем и более 200 (2013), и даже синтезировать короткие функциональные РНК, например тРНК-подобные молекулы и рибозимы (группа Джеральда Джойса, 2016).

В 2009 году Трейси Линкольн и Джеральд Джойс создали пару рибозимов, каждый из которых сшивает из двух половин копию другого. Смесь из таких рибозимов и их половинок росла экспоненциально, удваиваясь примерно за час, — первый пример самоподдерживающегося размножения рибозимов без белков. Среди разных вариантов в такой смеси шёл отбор: быстрее размножающиеся вытесняли остальные.

В 2024 году группа Джойса заставила полимеразу-рибозим копировать рибозим «молоточек» и его комплементарную цепь, а затем — отбирать копии по их работе. При низкой точности копирования «молоточек» за несколько циклов терял активность: ошибки разрушали информацию. При высокой точности появились варианты, которые копировались лучше исходного. Это первый пример, когда РНК копирует и эволюционирует РНК без участия белков.

Наконец, в феврале 2026 года группа Холлигера описала в журнале Science рибозим QT45 — полимеразу длиной всего 45 нуклеотидов, найденную среди случайных последовательностей. Она собирает цепь из коротких фрагментов по три нуклеотида и смогла синтезировать как комплементарную себе цепь, так и копию самой себя. Работает она очень медленно (доли процента продукта за 72 дня) и с точностью около 94 % на нуклеотид, но сам факт, что столь короткая молекула способна к самокопированию, говорит: такие рибозимы могли возникать случайно гораздо чаще, чем думали.

Точность копирования и порог ошибок

Любое копирование происходит с ошибками. Если точность копирования одного нуклеотида равна q, то вероятность скопировать молекулу из L нуклеотидов без единой ошибки равна q^L. Эта величина быстро падает с длиной.

В 1971 году немецкий химик Манфред Эйген показал, что для каждой точности копирования есть предельная длина «гена», при которой информация ещё может сохраняться отбором. Если безошибочных копий слишком мало, популяция молекул превращается в смесь случайных вариантов — происходит «катастрофа ошибок». Предельная длина приблизительно равна ln σ / (1 − q), где σ — во сколько раз «правильная» молекула копируется быстрее остальных. При точности 99 % и десятикратном преимуществе предел около 230 нуклеотидов, при точности 94 % — всего около 40.

Отсюда парадокс Эйгена: чтобы копировать точно, нужен длинный сложный фермент, а чтобы сохранить информацию о длинном ферменте, нужно точное копирование. Возможные выходы: первые рибозимы-полимеразы были короткими (как QT45); несколько коротких молекул работали вместе, помогая копировать друг друга; копирование шло внутри протоклеток, где отбор действовал на группу молекул целиком. Опыт 2024 года показал этот порог в действии: при низкой точности функциональный рибозим терялся, при высокой — эволюционировал.

Другие гипотезы и уточнения

• «Сначала обмен веществ». Многие исследователи считают, что жизни с наследственностью предшествовали самоподдерживающиеся циклы химических реакций, например на поверхности минералов в щелочных гидротермальных источниках. Такие циклы поставляли бы нуклеотиды для мира РНК.
• Мир РНК и пептидов. Аминокислоты и короткие пептиды, скорее всего, образовывались на ранней Земле вместе с нуклеотидами. Возможно, РНК с самого начала работала вместе с пептидами, а «чистого» мира РНК не было. В 2022 году группа Кареля получила химеры РНК и пептидов, в которых на РНК растут цепочки аминокислот.
• Мир до РНК. Возможно, первой генетической молекулой была более простая полимерная молекула — с другим сахаром (треоза, гликоль) или с пептидным остовом (ТНК, ГНК, ПНК). Такие молекулы образуют двойные спирали с РНК и могли передать ей информацию.
• Протоклетки. Американец Джек Шостак показал, что из жирных кислот самопроизвольно образуются пузырьки, способные расти, захватывать РНК и делиться. Отбор протоклеток мог помочь решить проблему точности.

Эти гипотезы не опровергают мир РНК, а уточняют, что было до него и как он был устроен. Большинство специалистов согласны, что этап, когда РНК играла главную роль, был, но спорят о том, насколько «чистым» он был.

Почему белки и ДНК вытеснили РНК

• Белки — лучшие катализаторы. Двадцать аминокислот против четырёх нуклеотидов: белки образуют более точные и разнообразные активные центры и работают быстрее. Рибозим, получивший помощь от пептида, работал лучше, и отбор поддерживал всё большее участие белков.
• ДНК — надёжное хранилище. Без 2′-OH-группы ДНК на много порядков устойчивее к разрыву, а двухцепочечная форма позволяет исправлять ошибки по второй цепи. Тимин вместо урацила позволяет распознавать и исправлять превращение цитозина в урацил — частое повреждение.
• Разделение труда. Когда информацию хранит ДНК, а работу выполняют белки, каждая молекула может совершенствоваться для своей задачи, не мешая другой.

Там, где РНК осталась катализатором, заменить её, по-видимому, слишком трудно: рибосома и сплайсосома — огромные машины, в которые встроено множество других частей, и любое изменение центра нарушило бы работу всей клетки. Но замена всё же возможна: белковая рибонуклеаза Р митохондрий человека показывает, что эволюция иногда обходится без рибозима.

Рибозимы в медицине и технологиях

Рибозим «молоточек» можно перестроить так, чтобы он разрезал любую нужную мРНК — например, мРНК вируса или онкогена. В 1990-х годах такие рибозимы испытывали как лекарства против ВИЧ и опухолей, но до применения они не дошли: в организме они разрушаются, плохо попадают в клетки и уступили место более удобным методам — малым интерферирующим РНК и антисмысловым олигонуклеотидам. Зато рибозимы стали удобным инструментом лабораторий: ими, например, точно обрезают концы синтезированных РНК.

Методом отбора получают не только рибозимы, но и аптамеры — молекулы РНК или ДНК, прочно связывающие нужное вещество. Аптамер пегаптаниб (2004) стал первым лекарством этого типа: им лечили одну из форм возрастной дегенерации сетчатки. В 1997 году Стивен Санторо и Джеральд Джойс получили дезоксирибозим «10–23» — каталитическую ДНК, разрезающую РНК. Природных ДНК-катализаторов пока не нашли, но искусственные показывают, что дело не в невозможности, а в том, что в клетке ДНК двухцепочечна и не сворачивается в активную форму.

Удивительные факты

• Каждую секунду в вашем теле рибозимы — рибосомы — образуют миллиарды пептидных связей.
• Интроны группы II умеют не только вырезать себя, но и встраиваться обратно в ДНК — так они «прыгают» по геному, как мобильные элементы.
• Рибонуклеаза Р — редкий фермент, у которого катализатор в разных организмах сделан из разных материалов: у бактерий — из РНК, в митохондриях человека — из белка.
• Уолтер Гилберт получил Нобелевскую премию по химии в 1980 году — за метод чтения ДНК, а не за мир РНК, который принёс ему широкую известность среди биологов.
• Рибозим QT45 (2026) — всего 45 нуклеотидов. Для сравнения: типичная тРНК — около 76 нуклеотидов.
• «Монстр Шпигельмана» уменьшился с 4200 нуклеотидов до нескольких сотен, потому что в пробирке не нужно заражать клетки, — пример того, как отбор удаляет ненужное.
• Порог ошибок Эйгена работает и сегодня: многие РНК-вирусы живут у самого порога, и некоторые противовирусные препараты (например, рибавирин) действуют, повышая частоту ошибок вирусной полимеразы.

Что пока не решено

• Как образовались первые цепи РНК достаточной длины и как они копировались до появления рибозимов-полимераз.
• Был ли мир РНК «чистым» или с самого начала включал пептиды и другие молекулы.
• Где это происходило — в пересыхающих прудах на суше, в гидротермальных источниках на дне океана, во льду.
• Как возник генетический код — почему определённые тройки нуклеотидов соответствуют определённым аминокислотам.
• Можно ли создать в пробирке систему, которая копирует сама себя и эволюционирует бесконечно, — главная цель исследований полимераз-рибозимов.

Что писать на ЕГЭ

В кодификаторе ЕГЭ-2027 «рибозимы и „мир РНК“» входят в элемент 6.4 «Происхождение и развитие жизни» и набраны курсивом: отдельными заданиями они не проверяются. Но знание рибозимов помогает в заданиях о строении и функциях РНК и о синтезе белка, а гипотеза мира РНК — в линиях 17 и 26, где спрашивают о гипотезах происхождения жизни. Опорные формулировки:

• Рибозимы — молекулы РНК, обладающие каталитической активностью; открыты Т. Чеком (самосплайсирующийся интрон рРНК тетрахимены, 1982) и С. Олтменом (рибонуклеаза Р, 1983).
• Рибосома — рибозим: пептидную связь в ней образует рРНК.
• Гипотеза мира РНК (У. Гилберт, 1986): на ранних этапах жизни РНК была и носителем наследственной информации, и катализатором.
• Доводы: РНК способна хранить информацию (РНК-вирусы) и катализировать реакции (рибозимы); самые древние процессы клетки катализирует РНК; АТФ и коферменты содержат нуклеотиды; дезоксирибонуклеотиды синтезируются из рибонуклеотидов; синтез ДНК начинается с РНК-затравки.
• Позже функции разделились: ДНК стала хранить информацию (она устойчивее), белки — катализировать (они разнообразнее и эффективнее).

Для тренировки — тема 6.4 в тренажёре ЕГЭ по биологии.

Для олимпиад

Механизм разрыва цепи с участием 2′-OH

Рибозимы «молоточек», «шпилька» и рибозим вируса гепатита дельта разрезают РНК одинаково. 2′-OH-группа рибозы (лишённая протона и потому активная) атакует соседний атом фосфора, образуется промежуточное состояние с пятью связями у фосфора, и цепь разрывается. На одном конце остаётся 2′,3′-циклический фосфат, на другом — 5′-OH-группа. Эта же реакция идёт и без катализатора, но очень медленно; щёлочь её ускоряет — поэтому РНК разрушается в щелочной среде, а ДНК нет. Белковый фермент рибонуклеаза А использует тот же механизм.

Как отличить рибозим от загрязнения белком

Стандартные доказательства: 1) активность сохраняется после обработки протеазами и фенолом; 2) РНК, полученная транскрипцией в пробирке с ДНК-матрицы, активна; 3) мутации в последовательности РНК меняют активность предсказуемо (по её пространственной структуре); 4) рибозим работает многократно и подчиняется кинетике Михаэлиса — Ментен, как фермент.

Формулы

• Вероятность копии без ошибок: P = q^L; число ошибок в копии в среднем L·(1 − q).
• Порог ошибок Эйгена: L_max ≈ ln σ / (1 − q).
• Число возможных последовательностей длины N: 4^N; при N = 40 это около 1,2·10²⁴, а в пробирке помещается 10¹⁴–10¹⁵ молекул — проверяется лишь ничтожная доля вариантов. Поэтому важно, что активные рибозимы встречаются среди случайных последовательностей достаточно часто.
• Экспоненциальный рост: N(t) = N₀·2^t/T, где T — время удвоения.

Задания с разбором

Задания 1–9 — в формате ЕГЭ (с элементами ответа для линии 26), 10–15 — олимпиадные.

Задание 1

Выберите три верных утверждения о рибозимах.

1. Рибозимы — молекулы РНК, обладающие каталитической активностью.
2. Первый рибозим открыт в клетках кишечной палочки.
3. Активный центр рибосомы, образующий пептидную связь, построен из рРНК.
4. Рибозимы не встречаются в клетках человека.
5. Рибозимы участвуют в созревании тРНК.
6. Рибозимы катализируют реакции быстрее любых белковых ферментов.

Задание 2

Установите соответствие между рибозимами и их функциями.

Рибозимы: А) рРНК большой субъединицы рибосомы; Б) рибонуклеаза Р; В) интрон рРНК тетрахимены; Г) рибозим «молоточек» вироида; Д) малые ядерные РНК сплайсосомы.

Функции: 1) образование пептидной связи; 2) отщепление лишнего участка от предшественника тРНК; 3) вырезание самого себя из пре-рРНК; 4) разрезание длинной цепи РНК на отдельные кольцевые молекулы при размножении возбудителя; 5) вырезание интронов из пре-мРНК.

Задание 3

Установите последовательность событий в изучении каталитических РНК.

1. введение термина «мир РНК» У. Гилбертом
2. открытие самосплайсинга рРНК тетрахимены Т. Чеком
3. предположение Ф. Крика и Л. Оргела о том, что первые катализаторы могли быть из РНК
4. доказательство, что пептидную связь в рибосоме образует рРНК
5. создание метода отбора молекул РНК в пробирке
6. описание рибозима из 45 нуклеотидов, синтезирующего свою копию

Задание 4

Выберите три довода в пользу гипотезы мира РНК.

1. Дезоксирибонуклеотиды синтезируются в клетке из рибонуклеотидов.
2. РНК менее устойчива, чем ДНК.
3. Многие коферменты содержат нуклеотиды.
4. Белки состоят из двадцати аминокислот.
5. Пептидную связь в рибосоме образует рРНК.
6. Генетический код универсален.

Задание 5

Прочитайте текст и выберите три утверждения, которые можно сделать на его основе.

Т. Чек выделил пре-рРНК тетрахимены и обнаружил, что интрон вырезается из неё в пробирке без ядерного экстракта, в присутствии ионов магния и гуанозина. Реакция сохранялась после обработки препарата протеазами. РНК, синтезированная в пробирке с ДНК-матрицы с помощью РНК-полимеразы бактерии, также вырезала из себя интрон.

1. Для вырезания интрона тетрахимены белки тетрахимены не нужны.
2. Катализатором реакции служит сама РНК.
3. Для реакции нужна энергия АТФ.
4. Ионы магния и гуанозин необходимы для реакции.
5. Интрон тетрахимены вырезается сплайсосомой.
6. Все интроны всех организмов вырезают себя сами.

Задание 6

Почему первой молекулой, способной к наследственности и отбору, считают РНК, а не ДНК и не белок? Приведите не менее трёх аргументов.

Задание 7

Объясните, почему в ходе эволюции функцию хранения наследственной информации взяла на себя ДНК, а функцию катализа — белки.

Задание 8

Чем вироид отличается от вируса? Какую роль в размножении некоторых вироидов играет рибозим? Почему вироиды считают «живыми ископаемыми» мира РНК?

Задание 9

В клетке дезоксирибонуклеотиды образуются из рибонуклеотидов, тимин — из урацила, а синтез каждой новой цепи ДНК начинается с короткой РНК-затравки. Какой вывод о последовательности появления нуклеиновых кислот можно сделать? Ответ поясните.

Задание 10

Чек обнаружил, что пре-рРНК тетрахимены вырезает интрон в пробирке без добавленных белков. Какие контрольные опыты нужно было провести, чтобы убедиться, что катализ осуществляет именно РНК, а не следы белков? Где окажется радиоактивная метка, если реакцию провести с радиоактивным гуанозином?

Задание 11

Полимераза-рибозим копирует РНК с точностью 97 % на нуклеотид. Найдите вероятность того, что копия рибозима длиной 200 нуклеотидов не будет содержать ни одной ошибки, и среднее число ошибок в копии. Оцените по формуле Эйгена максимальную длину молекулы, информация о которой может сохраняться отбором при такой точности, если правильная последовательность копируется в 10 раз быстрее остальных.

Задание 12

Для отбора рибозимов синтезировали смесь РНК со случайным участком длиной 40 нуклеотидов. В пробирке 10¹⁵ молекул. Сколько всего возможно вариантов случайного участка? Какая доля вариантов представлена в пробирке? Почему, несмотря на это, отбор успешно находит активные рибозимы?

Задание 13

Рибозим QT45 длиной 45 нуклеотидов копирует РНК с точностью около 94,1 % на нуклеотид, присоединяя по три нуклеотида за шаг. Сколько шагов нужно, чтобы синтезировать полную копию? Какова доля безошибочных копий? Как изменилась бы эта доля для полимеразы длиной 180 нуклеотидов при той же точности?

Задание 14

В опыте Линкольна и Джойса (2009) число молекул рибозима удваивалось примерно за 1 час. Во сколько раз увеличится число молекул за 30 часов при неограниченном запасе субстратов? Сколько часов нужно для увеличения в миллион раз? Почему в реальном опыте рост со временем останавливался и что для его продолжения делали экспериментаторы?

Задание 15

Рибозим «молоточек» разрезает РНК так, что на одном конце остаётся 2′,3′-циклический фосфат, а на другом — 5′-OH-группа. 1) Какая группа атакует атом фосфора? 2) Может ли тот же механизм работать в ДНК? 3) Почему РНК быстро разрушается в щелочном растворе, а ДНК устойчива? 4) Какое значение это различие имеет для гипотезы мира РНК?

Литература

• Kruger K., Grabowski P. J., Zaug A. J., Sands J., Gottschling D. E., Cech T. R. Self-splicing RNA: autoexcision and autocyclization of the ribosomal RNA intervening sequence of Tetrahymena // Cell. 1982. Vol. 31. P. 147–157.
• Guerrier-Takada C., Gardiner K., Marsh T., Pace N., Altman S. The RNA moiety of ribonuclease P is the catalytic subunit of the enzyme // Cell. 1983. Vol. 35. P. 849–857.
• Gilbert W. Origin of life: the RNA world // Nature. 1986. Vol. 319. P. 618.
• Crick F. H. C. The origin of the genetic code // Journal of Molecular Biology. 1968. Vol. 38. P. 367–379.
• Eigen M. Selforganization of matter and the evolution of biological macromolecules // Naturwissenschaften. 1971. Vol. 58. P. 465–523.
• Bartel D. P., Szostak J. W. Isolation of new ribozymes from a large pool of random sequences // Science. 1993. Vol. 261. P. 1411–1418.
• Nissen P., Hansen J., Ban N., Moore P. B., Steitz T. A. The structural basis of ribosome activity in peptide bond synthesis // Science. 2000. Vol. 289. P. 920–930.
• Lincoln T. A., Joyce G. F. Self-sustained replication of an RNA enzyme // Science. 2009. Vol. 323. P. 1229–1232.
• Powner M. W., Gerland B., Sutherland J. D. Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions // Nature. 2009. Vol. 459. P. 239–242.
• Papastavrou N., Horning D. P., Joyce G. F. RNA-catalyzed evolution of catalytic RNA // PNAS. 2024. Vol. 121. e2321592121.
• Gianni E. et al. A small polymerase ribozyme that can synthesize itself and its complementary strand // Science. 2026. Vol. 391. P. 1022–1028.
• Robertson M. P., Joyce G. F. The origins of the RNA world // Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 2012. Vol. 4. a003608.
• Спирин А. С. Биосинтез белков, мир РНК и происхождение жизни // Вестник РАН. 2001. Т. 71, № 4. С. 320–328.
• Марков А. В. Рождение сложности. М.: Астрель: CORPUS, 2010.