Science丨45個RNA核苷酸核酶重寫生命起源故事

編譯丨酶美

“RNA世界”假說長期以來一直受到一個“先有雞還是先有蛋”困境的困擾，即分子復(fù)雜性悖論。為了啟動進化過程，前生物化學(xué)過程必須產(chǎn)生一種能夠自我復(fù)制的核酶。然而，過往研究表明功能的復(fù)雜性與大小成正比。這些大型催化劑，如“Class I 聚合酶”（通常為150-300個核苷酸）-過于復(fù)雜，無法從隨機的前生物寡聚體中自發(fā)出現(xiàn)，并且在沒有現(xiàn)有高保真機制的情況下，其長度也過長而無法被準(zhǔn)確復(fù)制。因而陷入了一個循環(huán)：你需要一臺大型機器來建造一臺大型機器，但第一臺機器出現(xiàn)的概率微乎其微。

近日，Science發(fā)表了來自MRC分子生物學(xué)實驗室的Philipp Holliger/Edoardo Gianni團隊的研究：

A small polymerase ribozyme that can synthesize itself and its complementary strand

復(fù)雜性不依賴于規(guī)模

幾十年來，RNA催化聚合的標(biāo)桿一直是源自Class I連接酶的核酶，例如5TU聚合酶。這些分子長達150-300個核苷酸，代表了巨大的“合成和保真度負(fù)擔(dān)”。它們遠比任何觀察到的非生物形成的RNA序列要長，使得它們的自發(fā)出現(xiàn)在統(tǒng)計學(xué)上幾乎不可能。

QT45通過證明“功能復(fù)雜性”并非嚴(yán)格與長度掛鉤，代表了一種范式轉(zhuǎn)變。通過在僅45個核苷酸內(nèi)實現(xiàn)迭代的、區(qū)域特異性的3′-5′磷酸二酯鍵形成，QT45調(diào)和了RNA世界的競爭性需求。

“這導(dǎo)致了RNA自我復(fù)制的看似矛盾的要求，即核酶必須又大又復(fù)雜才能編碼聚合酶活性，但同樣的尺寸和復(fù)雜性既阻礙了它們的自我復(fù)制，也阻礙了它們的初始出現(xiàn)。”

整體平衡——克服模板障礙

一個自我復(fù)制的核酶面臨著一個獨特的物理危機：它必須同時具備兩種狀態(tài)。為了作為催化劑發(fā)揮作用，RNA（+）鏈必須折疊成穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)；然而，為了作為自身復(fù)制的模板，它必須保持未折疊狀態(tài)且可被訪問。

QT45通過一種“整體平衡”解決了這個問題，其中RNA群體在折疊態(tài)和未折疊態(tài)之間轉(zhuǎn)換。這通過"動力學(xué)捕獲"得以實現(xiàn)：1）協(xié)同結(jié)合：三核苷三磷酸（三體）底物協(xié)同結(jié)合到模板上。2）群體轉(zhuǎn)移：這種結(jié)合增加了未折疊狀態(tài)的群體，有效地將RNA“捕獲”在適合模板的構(gòu)象中，而不會永久性地破壞活性催化劑的庫。3）避免死胡同：這種機制有助于防止形成“熱力學(xué)高度 favored 的（+）（-）鏈雙鏈體”，一種通常會終止復(fù)制的非活性雙鏈產(chǎn)物。

聚合酶活性在序列空間中很“豐富”

也許最令人驚訝的發(fā)現(xiàn)是，聚合酶基序并非我們曾經(jīng)假設(shè)的那種"七百萬億分之一"的稀有物。在一個僅有 1.2×1013條序列的隨機庫中，研究人員識別出了三個不同的、不相關(guān)的基序：1）基序 1-30；2）基序 2-30；3）基序 1-40（QT45的前身）。

雖然 1013 聽起來很大，但它僅代表40個核苷酸序列空間中 1.2×1024 種可能組合的微小部分。在如此有限的樣本中發(fā)現(xiàn)三個獨特的基序表明，聚合所需的“表型要求”出乎意料地普遍。

據(jù)此作者估計：基于適應(yīng)度 landscapes 映射中核心殘基同一性的分析，估計QT核酶折疊結(jié)構(gòu)在隨機序列池中的豐度為1.2×10-17。

共晶冰和三體的環(huán)境助力

研究人員利用了特定的前生物條件來最大化QT45的潛力。通過在弱堿性共晶冰中工作，他們穩(wěn)定了核酶——將其半衰期延長至約117天，而像R18這樣的大型模型只有16天。研究人員同時將底物濃縮到液體口袋中。

使用三核苷三磷酸（三體）相比單核苷酸提供了幾個關(guān)鍵優(yōu)勢：1）結(jié)構(gòu)化模板：三體允許復(fù)制結(jié)構(gòu)化RNA，如莖環(huán)結(jié)構(gòu)，而這通常會阻礙其他聚合酶。2）鏈抑制：三體抑制“鏈復(fù)性”，有助于保持（+）和（-）鏈分離。3）卓越保真度：QT45在合成其互補（-）鏈時，顯示出每核苷酸94.1%的保真度。即使在挑戰(zhàn)合成一個復(fù)雜的33nt錘頭狀核酶（seq0-HH）時，它仍保持了92.6%的保真度，在特定測定條件下優(yōu)于進化程度更高的5TU。

功能致密的核心與重組的作用

通過適應(yīng)度圖景分析，研究人員繪制了QT45的突變敏感性圖譜，并將其與較大的5TU進行了比較。結(jié)果揭示了一個顯著“更陡峭”的圖景：1）突變敏感性：QT45突變的適應(yīng)度變化范圍在-11.0到1.6之間，而5TU突變的嚴(yán)重程度較低（-4.6到1.6）。2）功能密度：由于QT45非常小，它缺乏“填充”序列；幾乎每個核苷酸都是對活性至關(guān)重要的“核心功能殘基”。3）重組加速器：有趣的是，研究人員注意到通過非酶促轉(zhuǎn)酯反應(yīng)形成的全長產(chǎn)物背景水平很低。雖然對于純粹的催化分析來說這是一個"不便的副反應(yīng)"，但資深科學(xué)家認(rèn)識到這種重組是一個至關(guān)重要的進化工具。它充當(dāng)了抵御“Muller’s ratchet”（即小種群中有害突變的必然積累）的防御機制。

總結(jié)

RNA世界的黃金標(biāo)準(zhǔn)是"閉合循環(huán)"——一個單一催化劑合成其互補（-）鏈，然后再合成一條新的自身（+）鏈。QT45完成了這一壯舉，在72天內(nèi)以約0.2%的產(chǎn)率產(chǎn)生了兩條鏈。雖然這些反應(yīng)仍然緩慢，但這一里程碑是毋庸置疑的。

通過利用RNA整體平衡和三體相互作用的涌現(xiàn)特性，QT45提供了第一個具體證據(jù)，表明一個小的、非生物的分子能夠處理遺傳的重任。結(jié)合最近對有利于RNA復(fù)制的物理化學(xué)條件的理解，這為走向RNA催化RNA自我復(fù)制的迭代循環(huán)指明了一條可行之路。

當(dāng)我們展望未來時，QT45的成功向該領(lǐng)域提出了一個挑戰(zhàn)：我們是否一直在錯誤的大小類別中尋找生命的起源？也許通向復(fù)雜性的道路并非始于大型、復(fù)雜的機器，而是始于更可能從早期地球混沌化學(xué)中出現(xiàn)的"更小、更致密"的基序。

10.1126/science.adt2760

制版人： 十一

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