Odkrywanie tajemnic życia za pomocą starożytnego kodu RNA

Odkryte przez uczonych Salik RNA Możliwości umożliwiające ewolucję darwinowską na poziomie molekularnym i przybliżające badaczy do wytwarzania niezależnego życia RNA w laboratorium.

Charles Darwin opisał ewolucję jako „pochodzenie z modyfikacjami”. Informacja genetyczna w postaci DNA Sekwencje są kopiowane i przekazywane z pokolenia na pokolenie. Jednak proces ten musi być również w pewnym stopniu elastyczny, umożliwiając z czasem pojawienie się subtelnych zmian w genach i wprowadzenie do populacji nowych cech.

Ale jak to wszystko się zaczęło? Czy u początków życia, na długo przed pojawieniem się komórek, białek i DNA, podobny rodzaj ewolucji mógł nastąpić na prostszą skalę? Naukowcy z lat 60. XX wieku, w tym Leslie Orgill, współpracownik Salka, zaproponowali, że życie zaczęło się od „świata RNA”, hipotetycznej ery, w której małe, związane z nicią cząsteczki RNA rządziły wczesną Ziemią i ustaliły dynamikę ewolucji darwinowskiej.

Sekwencje Hammerheada transkrybowane przez polimerazę o niskiej wierności oddalają się od oryginalnej sekwencji RNA (na górze) i z czasem tracą swoją funkcję. Głowice młotów katalizowane przez polimerazę HD zachowują funkcję i ewoluują bardziej odpowiednie sekwencje (na dole). Źródło: Instytut Salka

Pionierskie badania nad rolą RNA we wczesnym rozwoju

Nowe badania w Instytucie Salka dostarczają obecnie nowego wglądu w pochodzenie życia, dostarczając przekonujących dowodów potwierdzających hipotezę Świata RNA. Badanie opublikowane w Proceedings of National Academy of Sciences (PNAS) 4 marca 2024 roku odkrywa enzym RNA, który może tworzyć dokładne kopie innych funkcjonalnych nici RNA, jednocześnie umożliwiając z czasem pojawienie się nowych wariantów cząsteczki. Te niezwykłe zdolności sugerują, że pierwsze formy ewolucji mogły mieć miejsce na poziomie molekularnym w RNA.

Wyniki przybliżają także naukowców o krok do odtworzenia życia opartego na RNA w laboratorium. Modelując te prymitywne środowiska w laboratorium, naukowcy mogą bezpośrednio testować hipotezy dotyczące początków życia na Ziemi, a nawet na innych planetach.

„Gonimy za świtem ewolucji” – mówi starszy autor i prezes Fundacji Salk Gerald Joyce. „Odkrywając te nowe możliwości RNA, odkrywamy potencjalne pochodzenie samego życia i to, jak proste cząsteczki mogły utorować drogę dla złożoności i różnorodności życia, które widzimy dzisiaj”.

Wykresy rozrzutu pokazują ewolucję populacji młotów w ciągu wielu rund ewolucji. Głowice młotków transkrybowane przez polimerazę o niskiej wierności (52-2) oddalają się od oryginalnej sekwencji RNA (białe linie) i tracą swoją funkcję. Głowice młotków transkrybowane przez nową polimerazę o wysokiej wierności (71-89) zachowują funkcję, a z czasem pojawiają się nowe sekwencje funkcjonalne. Źródło: Instytut Salka

Unikalna funkcja RNA i dążenie do wierności replikacji

Naukowcy mogą wykorzystać DNA do prześledzenia historii ewolucji współczesnych roślin i zwierząt aż do najstarszych organizmów jednokomórkowych. Ale to, co wydarzyło się wcześniej, pozostaje niejasne. Dwuniciowe helisy DNA doskonale nadają się do przechowywania informacji genetycznej. Wiele z tych genów ostatecznie koduje białka, złożone maszyny molekularne, które wykonują różnego rodzaju funkcje, aby utrzymać komórki przy życiu. Tym, co czyni RNA wyjątkowym, jest to, że te cząsteczki mogą spełniać jedno i drugie. Są zbudowane z wydłużonych sekwencji nukleotydowych, podobnych do DNA, ale mogą również działać jako enzymy ułatwiające reakcje, takie jak białka. Czy zatem RNA może być prekursorem życia, jakie znamy?

Naukowcy tacy jak Joyce badają ten pomysł od lat, ze szczególnym naciskiem na rybozymy polimerazy RNA — cząsteczki RNA, które mogą tworzyć kopie innych nici RNA. W ciągu ostatniej dekady Joyce i jego zespół opracowywali w laboratorium rybozymy polimerazy RNA, wykorzystując formę ukierunkowanej ewolucji w celu wytworzenia nowych wersji zdolnych do replikacji większych cząsteczek. Jednak większość z nich ma fatalną wadę: nie są w stanie replikować sekwencji w wystarczająco wysokim stopniu Dokładność. Przez wiele pokoleń do sekwencji wprowadza się tak wiele błędów, że powstałe nici RNA nie przypominają już oryginalnej sekwencji, a ich funkcja zostaje całkowicie utracona.

Dotychczas. Najnowszy, opracowany laboratoryjnie rybozym polimerazy RNA ma szereg ważnych mutacji, które pozwalają mu kopiować nić RNA ze znacznie większą wiernością.

Od lewej: David Horning, Gerald Joyce i Nikolaos Papastavrou. Źródło: Instytut Salka

W tych eksperymentach transkrypcyjna nić RNA to „głowa młota”, mała cząsteczka, która rozbija inne cząsteczki RNA na kawałki. Naukowcy ze zdziwieniem odkryli, że nie tylko rybozym polimerazy RNA dokładnie replikuje funkcjonalne główki młotka, ale z czasem zaczęły pojawiać się nowe odmiany tych młotków. Te nowe warianty zachowywały się podobnie, ale ich mutacje ułatwiły ich rozmnażanie, co zwiększyło ich przystosowanie ewolucyjne i ostatecznie doprowadziło do zdominowania populacji łowców młotów w laboratorium.

„Od dawna zastanawialiśmy się, jak proste było życie na początku i kiedy nabyło zdolność do samodoskonalenia się” – mówi pierwszy autor Nikolaos Papastavrou, pracownik naukowy w laboratorium Joyce'a. „To badanie sugeruje, że początek ewolucji mógł być bardzo wczesny i bardzo prosty. Coś na poziomie pojedynczych cząsteczek mogło napędzać ewolucję darwinowską i to mogło być iskrą, która pozwoliła życiu stać się bardziej złożonym, przechodząc od cząsteczek do komórek do organizmów.” Wielokomórkowy.

Wyniki podkreślają kluczowe znaczenie wierności replikacji dla umożliwienia ewolucji. Wierność transkrypcji polimerazy RNA musi przekraczać krytyczny próg, aby zachować dziedziczną informację przez wiele pokoleń, a próg ten wzrósłby wraz ze wzrostem rozmiaru i złożoności ewoluującego RNA.

Przyszłość badań RNA i niezależnego życia

Zespół Joyce'a odtwarza ten proces w laboratoryjnych probówkach, stosując coraz większą presję selekcyjną na system, aby wytworzyć skuteczniejsze polimerazy, a celem jest wytworzenie pewnego dnia polimerazy RNA zdolnej do replikacji. Oznaczałoby to początek autonomicznego życia RNA w laboratorium, co zdaniem naukowców może nastąpić w ciągu następnej dekady.

Naukowców interesuje także to, co może się wydarzyć, gdy mały „świat RNA” zyska większą niezależność.

„Widzieliśmy, że presja selekcyjna może ulepszyć RNA o istniejącą funkcję, ale czy jeśli pozwolimy systemowi ewoluować dłużej z większymi zestawami cząsteczek RNA, czy można wynaleźć nowe funkcje?” mówi współautor David Horning, naukowiec w laboratorium Joyce'a. „Cieszymy się, że możemy odpowiedzieć na pytanie, w jaki sposób wczesne życie mogło zwiększyć złożoność, korzystając z narzędzi opracowanych w Salk”.

Metody stosowane w laboratorium Joyce'a torują także drogę dla przyszłych eksperymentów, które testują inne koncepcje dotyczące pochodzenia życia, w tym warunki środowiskowe, które najlepiej wspierają ewolucję RNA, zarówno na Ziemi, jak i na innych planetach.

Odniesienie: „Evolution of RNA-catalized RNA” Nikolaos Papastavrou, David P. Horning i Gerald F. Joyce, 4 marca 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
doi: 10.1073/pnas.2321592121

Praca była wcześniej wspierana NASA (80NSSC22K0973) i Fundację Simonsa (287624).