Het ontrafelen van de geheimen van het leven met behulp van de eeuwenoude code van RNA

Onthuld door Salik-geleerden RNA Mogelijkheden die de darwinistische evolutie op moleculair niveau mogelijk maken en onderzoekers dichter bij het produceren van autonoom RNA-leven in het laboratorium brengen.

Charles Darwin beschreef evolutie als ‘afstamming met modificatie’. Genetische informatie in de vorm van DNA Sequenties worden gekopieerd en van generatie op generatie overgedragen. Maar dit proces moet ook enigszins flexibel zijn, waardoor er in de loop van de tijd subtiele variaties in genen kunnen ontstaan ​​en nieuwe eigenschappen in de populatie kunnen worden geïntroduceerd.

Maar hoe is het allemaal begonnen? Zou er bij het ontstaan ​​van het leven, lang voordat cellen, eiwitten en DNA bestonden, een soortgelijke evolutie op eenvoudiger schaal hebben plaatsgevonden? Wetenschappers in de jaren zestig, waaronder Salk-collega Leslie Orgill, stelden dat het leven begon met de ‘RNA-wereld’, een hypothetisch tijdperk waarin kleine, aan strengen gebonden RNA-moleculen de vroege aarde regeerden en de dynamiek van de darwinistische evolutie bepaalden.

Hammerhead-sequenties getranscribeerd door low-fidelity polymerase drijven weg van de originele RNA-sequentie (boven) en verliezen hun functie in de loop van de tijd. Hamerhaaien gekatalyseerd door HD-polymerase behouden hun functie en ontwikkelen geschiktere sequenties (onder). Krediet: Salk Instituut

Baanbrekend onderzoek naar de rol van RNA in de vroege ontwikkeling

Nieuw onderzoek aan het Salk Institute biedt nu nieuwe inzichten in de oorsprong van het leven en levert overtuigend bewijs ter ondersteuning van de RNA World-hypothese. De studie gepubliceerd in Proceeding van de National Academy of Sciences (PNAS) Op 4 maart 2024 onthult hij een RNA-enzym dat exacte kopieën kan maken van andere functionele RNA-strengen, terwijl er in de loop van de tijd ook nieuwe varianten van het molecuul kunnen ontstaan. Deze opmerkelijke vermogens suggereren dat de eerste vormen van evolutie zich mogelijk op moleculair niveau in RNA hebben voorgedaan.

De resultaten brengen wetenschappers ook een stap dichter bij het herscheppen van op RNA gebaseerd leven in het laboratorium. Door deze primitieve omgevingen in het laboratorium te modelleren, kunnen wetenschappers direct hypothesen testen over hoe het leven op aarde, of zelfs op andere planeten, begon.

“We jagen het begin van de evolutie na”, zegt senior auteur en voorzitter van de Salk Foundation, Gerald Joyce. “Door deze nieuwe mogelijkheden van RNA te onthullen, onthullen we de potentiële oorsprong van het leven zelf, en hoe eenvoudige moleculen de weg hadden kunnen vrijmaken voor de complexiteit en diversiteit van het leven dat we vandaag de dag zien.”

Scatterplots tonen de evolutie van hamerhaaipopulaties over meerdere evolutierondes. Hamerhaaien getranscribeerd door low-fidelity polymerase (52-2) drijven weg van de oorspronkelijke RNA-sequentie (witte lijnen) en verliezen hun functie. Hamerhaaien getranscribeerd door een nieuw high-fidelity polymerase (71-89) behouden hun functie, waarbij in de loop van de tijd nieuwe functionele sequenties ontstaan. Krediet: Salk Instituut

De unieke functie van RNA en het streven naar replicatiegetrouwheid

Wetenschappers kunnen DNA gebruiken om de evolutionaire geschiedenis van moderne planten en dieren te traceren, helemaal terug tot aan de oudste eencellige organismen. Maar wat er daarvoor gebeurde, blijft onduidelijk. Dubbelstrengige DNA-helices zijn ideaal voor het opslaan van genetische informatie. Veel van deze genen coderen uiteindelijk voor eiwitten, complexe moleculaire machines die allerlei functies uitvoeren om cellen in leven te houden. Wat RNA uniek maakt, is dat deze moleculen beide kunnen. Ze zijn gemaakt van uitgebreide nucleotidesequenties, vergelijkbaar met DNA, maar ze kunnen ook functioneren als enzymen om reacties te vergemakkelijken, zoals eiwitten. Zou RNA dus een voorloper kunnen zijn van het leven zoals wij dat kennen?

Wetenschappers als Joyce onderzoeken dit idee al jaren, met een bijzondere focus op RNA-polymerase-ribozymen – RNA-moleculen die kopieën kunnen maken van andere RNA-strengen. De afgelopen tien jaar hebben Joyce en zijn team in het laboratorium RNA-polymerase-ribozymen ontwikkeld, waarbij ze een vorm van gerichte evolutie gebruikten om nieuwe versies te produceren die grotere moleculen kunnen repliceren. Maar de meeste van hen lijden aan een fatale fout: ze zijn niet in staat sequenties in voldoende hoge mate te repliceren Nauwkeurigheid. Gedurende vele generaties worden er zoveel fouten in de sequentie geïntroduceerd dat de resulterende RNA-strengen niet langer op de oorspronkelijke sequentie lijken en hun functie volledig verloren gaat.

Dusver. Het nieuwste in het laboratorium ontwikkelde RNA-polymerase-ribozym bevat een aantal belangrijke mutaties waardoor het een RNA-streng met veel grotere betrouwbaarheid kan kopiëren.

Van links: David Horning, Gerald Joyce en Nikolaos Papastavrou. Krediet: Salk Instituut

In deze experimenten is de RNA-streng die wordt getranscribeerd de ‘hamerkop’, een klein molecuul dat andere RNA-moleculen in stukken breekt. De onderzoekers waren verrast toen ze ontdekten dat het RNA-polymerase-ribozym niet alleen functionele hamerhaaien nauwkeurig repliceerde, maar dat er na verloop van tijd nieuwe varianten van de hamerhaaien begonnen te verschijnen. Deze nieuwe varianten presteerden vergelijkbaar, maar door hun mutaties waren ze gemakkelijker te reproduceren, wat hun evolutionaire geschiktheid verhoogde en er uiteindelijk toe leidde dat ze de hamerhaaipopulaties in het laboratorium gingen domineren.

“We hebben ons lang afgevraagd hoe eenvoudig het leven in het begin was, en toen het de mogelijkheid kreeg om zichzelf te verbeteren”, zegt eerste auteur Nikolaos Papastavrou, een onderzoeksmedewerker in het laboratorium van Joyce. “Deze studie suggereert dat het begin van de evolutie heel vroeg en heel eenvoudig had kunnen zijn. Iets op het niveau van individuele moleculen had de Darwinistische evolutie kunnen aandrijven, en dit zou de vonk kunnen zijn geweest die ervoor zorgde dat het leven complexer werd en zich van moleculen naar andere moleculen verplaatste.” cellen tot organismen.” Meercellig.

De resultaten benadrukken het cruciale belang van replicatiegetrouwheid bij het mogelijk maken van evolutie. De betrouwbaarheid van de transcriptie van RNA-polymerase moet een kritische drempel overschrijden om erfelijke informatie over meerdere generaties te behouden, en deze drempel zou zijn gestegen naarmate de omvang en complexiteit van evoluerend RNA toenam.

De toekomst van RNA-onderzoek en zelfstandig leven

Het team van Joyce bootst dit proces na in laboratoriumreageerbuizen, waarbij steeds meer selectieve druk wordt uitgeoefend op het systeem om beter presterende polymerasen te produceren, met als doel op een dag een RNA-polymerase te produceren dat zichzelf kan repliceren. Dit zou het begin markeren van autonoom RNA-leven in het laboratorium, wat volgens onderzoekers binnen het komende decennium zou kunnen worden bereikt.

Wetenschappers zijn ook geïnteresseerd in wat er zou kunnen gebeuren als de kleine ‘RNA-wereld’ meer onafhankelijkheid krijgt.

“We hebben gezien dat selectiedruk een RNA met een bestaande functie kan verbeteren, maar als we het systeem langer laten evolueren met grotere sets RNA-moleculen, kunnen er dan nieuwe functies worden uitgevonden?” zegt co-auteur David Horning, een wetenschapper in het laboratorium van Joyce. “We zijn blij om te kunnen beantwoorden hoe het vroege leven de complexiteit had kunnen vergroten, met behulp van tools die hier bij Salk zijn ontwikkeld.”

De methoden die in het laboratorium van Joyce worden gebruikt, maken ook de weg vrij voor toekomstige experimenten die andere ideeën over de oorsprong van het leven testen, inclusief welke omgevingsomstandigheden de RNA-evolutie het beste kunnen ondersteunen, zowel op aarde als op andere planeten.

Referentie: “Evolutie van RNA-gekatalyseerd RNA” door Nikolaos Papastavrou, David P. Horning en Gerald F. Joyce, 4 maart 2024, Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen.
doi: 10.1073/pnas.2321592121

Het werk werd eerder ondersteund NASA (80NSSC22K0973) en de Simons Stichting (287624).