Odhalování tajemství života pomocí starověkého kódu RNA

Odhaleno Salikovými učenci RNA Schopnosti, které umožňují darwinovskou evoluci na molekulární úrovni a přivádějí výzkumníky blíže k produkci autonomního života RNA v laboratoři.

Charles Darwin popsal evoluci jako „sestup s modifikací“. Genetické informace ve formě DNA Sekvence jsou kopírovány a přenášeny z generace na generaci. Ale tento proces musí být také do jisté míry flexibilní a umožnit, aby se v průběhu času objevily jemné variace v genech a do populace byly zavedeny nové vlastnosti.

Ale jak to všechno začalo? Mohlo v počátcích života, dávno před buňkami, proteiny a DNA, dojít k podobnému druhu evoluce v jednodušším měřítku? Vědci v 60. letech, včetně Salkova kolegy Leslie Orgill, navrhli, že život začal „světem RNA“, hypotetickou érou, ve které malé molekuly RNA vázané na vlákna ovládaly ranou Zemi a ustanovily dynamiku darwinovské evoluce.

Průkopnický výzkum role RNA v raném vývoji

Nový výzkum v Salk Institute nyní poskytuje nové pohledy na původ života a poskytuje přesvědčivé důkazy podporující hypotézu RNA World. Studie zveřejněná v Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 4. března 2024 odhaluje enzym RNA, který dokáže vytvářet přesné kopie jiných funkčních vláken RNA a zároveň umožňuje, aby se v průběhu času objevily nové varianty molekuly. Tyto pozoruhodné schopnosti naznačují, že k prvním formám evoluce mohlo dojít na molekulární úrovni v RNA.

Výsledky také přivádějí vědce o krok blíže k obnovení života založeného na RNA v laboratoři. Modelováním těchto primitivních prostředí v laboratoři mohou vědci přímo testovat hypotézy o tom, jak začal život na Zemi nebo dokonce na jiných planetách.

„Honíme se za úsvitem evoluce,“ říká hlavní autor a prezident Salk Foundation Gerald Joyce. „Odhalením těchto nových schopností RNA odhalujeme potenciální původ života samotného a jak jednoduché molekuly mohly vydláždit cestu složitosti a rozmanitosti života, kterou dnes vidíme.“

Rozptylové grafy ukazují vývoj populací kladivounů během několika kol evoluce. Hammerheads transkribované nízko věrnou polymerázou (52-2) se vzdalují od původní sekvence RNA (bílé čáry) a ztrácejí svou funkci. Hammerheads transkribované novou vysoce věrnou polymerázou (71-89) si zachovávají funkci a postupem času se objevují nové funkční sekvence. Kredit: Salk Institute

Jedinečná funkce RNA a snaha o věrnost replikace

Vědci mohou pomocí DNA vysledovat evoluční historii moderních rostlin a zvířat až k nejstarším jednobuněčným organismům. Co se ale stalo předtím, zůstává nejasné. Dvouvláknové šroubovice DNA jsou skvělé pro ukládání genetické informace. Mnoho z těchto genů nakonec kóduje proteiny, složité molekulární stroje, které vykonávají nejrůznější funkce, aby udržely buňky naživu. Jedinečnost RNA spočívá v tom, že tyto molekuly dokážou obojí. Jsou vyrobeny z prodloužených nukleotidových sekvencí, podobně jako DNA, ale mohou také fungovat jako enzymy pro usnadnění reakcí, jako jsou proteiny. Mohla by tedy být RNA předchůdcem života, jak jej známe?

Vědci jako Joyce zkoumali tuto myšlenku již léta, se zvláštním zaměřením na RNA polymerázové ribozymy – molekuly RNA, které mohou vytvářet kopie jiných vláken RNA. Během posledního desetiletí Joyce a jeho tým vyvíjeli ribozymy RNA polymerázy v laboratoři, za použití formy řízené evoluce k výrobě nových verzí schopných replikovat větší molekuly. Většina z nich však trpí fatální chybou: nejsou schopni replikovat sekvence v dostatečně vysoké míře Přesnost. Během mnoha generací je do sekvence vneseno tolik chyb, že výsledná vlákna RNA se již nepodobají původní sekvenci a jejich funkce je zcela ztracena.

Zatím. Nejnovější laboratorně vyvinutý ribozym RNA polymerázy obsahuje řadu důležitých mutací, které mu umožňují zkopírovat řetězec RNA s mnohem větší věrností.

V těchto experimentech je vlákno transkribované RNA „hammerhead“, malá molekula, která láme jiné molekuly RNA na kousky. Vědci byli překvapeni zjištěním, že nejen že ribozym RNA polymerázy přesně replikuje funkční kladivouny, ale postupem času se začaly objevovat nové varianty kladivounů. Tyto nové varianty fungovaly podobně, ale jejich mutace usnadnily jejich reprodukci, což zvýšilo jejich evoluční zdatnost a nakonec je vedlo k tomu, že v laboratoři ovládly populace kladivounů.

„Dlouho jsme přemýšleli, jak jednoduchý byl život na svém počátku a kdy získal schopnost začít se zlepšovat,“ říká první autor Nikolaos Papastavrou, výzkumný pracovník v Joyceově laboratoři. „Tato studie naznačuje, že úsvit evoluce mohl být velmi brzký a velmi jednoduchý. Něco na úrovni jednotlivých molekul mohlo pohánět darwinovskou evoluci, a to mohla být ta jiskra, která umožnila, aby se život stal složitějším a přesunul se od molekul k buňky na organismy.“ Mnohobuněčné.

Výsledky zdůrazňují zásadní význam věrnosti replikace pro umožnění evoluce. Věrnost transkripce RNA polymerázy musí překročit kritický práh, aby se zachovala dědičná informace po více generací, a tento práh by se zvýšil, když se zvětšila velikost a složitost vyvíjející se RNA.

Budoucnost výzkumu RNA a nezávislého života

Joyceův tým znovu vytváří tento proces v laboratorních zkumavkách a vyvíjí na systém rostoucí selektivní tlak, aby produkoval lépe výkonné polymerázy, s cílem jednoho dne produkovat RNA polymerázu, která se dokáže replikovat. To by znamenalo začátek autonomního života RNA v laboratoři, kterého by podle vědců mohlo být dosaženo během příštího desetiletí.

Vědci se také zajímají o to, co by se mohlo stát, až malý „svět RNA“ získá větší nezávislost.

„Viděli jsme, že selekční tlak může zlepšit RNA s existující funkcí, ale pokud dovolíme systému, aby se vyvíjel déle s většími sadami molekul RNA, lze vynalézt nové funkce?“ říká spoluautor David Horning, vědec v Joyceově laboratoři. „S nadšením odpovídáme, jak mohl život v raném věku zvýšit složitost pomocí nástrojů vyvinutých zde v Salku.“

Metody používané v Joyceově laboratoři také otevírají cestu pro budoucí experimenty, které testují další představy o původu života, včetně toho, jaké podmínky prostředí by mohly nejlépe podpořit evoluci RNA, a to jak na Zemi, tak na jiných planetách.

Reference: „Evolution of RNA-catalyzed RNA“ od Nikolaose Papastavroua, Davida P. Horninga a Geralda F. Joyce, 4. března 2024, Proceedings of the National Academy of Sciences.
doi: 10.1073/pnas.2321592121

Práce byla již dříve podporována NASA (80NSSC22K0973) a Simons Foundation (287624).