Wissenschaftler der University of Cambridge haben neue Beweise für die RNA-Welthypothese erhalten. Es stellte sich heraus, dass kleine Aminosäureketten in Kombination mit RNA ihre katalytischen Eigenschaften verbessern und es ihnen ermöglichen, weniger abhängig von toxischen Ionen zu werden. Und dies ist eine notwendige Voraussetzung für die Bildung der ersten Zellen. "Lenta.ru" spricht über die in der Zeitschrift Nature veröffentlichte Arbeit.
Nach der Hypothese der RNA-Welt entstand das Leben aus einem einfachen biologischen System, in dem es keine DNA- und Proteinmoleküle gab. Es bestand aus RNA-Komplexen, die nicht nur genetische Informationen speichern, sondern auch chemische Reaktionen katalysieren konnten (in diesem Fall wurden sie Ribozyme genannt). Mit anderen Worten, sie kombinierten die Funktionen von DNA und Enzymen. Dann führte die Kombination von RNA mit Peptiden und Desoxyribonukleinsäure zur Entstehung einzelliger Organismen. Es stellt sich jedoch die Frage: Was war der Nutzen der Interaktion zwischen der RNA-Welt und Proteinen?
Es wird angenommen, dass Ribozyme, sogenannte RNA-Polymerasen, den größten Teil der RNA-Welt ausmachen. Sie waren Replikatoren - Objekte, die sich selbst replizieren können. Die Ressourcen dafür waren Nukleotide in der Primärbrühe. Am Anfang hatten Ribozyme Schwierigkeiten, sich selbst zu kopieren, da ihre katalytischen Fähigkeiten nicht entwickelt wurden. Sie machten Fehler, die zu Ribozymen mit Mutationen führten. Diese Veränderungen könnten der RNA-Polymerase die Fähigkeit zur Katalyse entziehen, in einigen Fällen verbesserte sich diese Qualität jedoch im Gegenteil. Im Laufe der Zeit reproduzierten sich Ribozyme schneller und genauer, wurden zahlreicher und gewannen den Wettbewerb um Ressourcen.
Somit waren Ribozyme das primäre Genom, da sie genetische Informationen über ihre eigene Sequenz speicherten. Später wurden sie in Partikel eingekapselt, die von Lipidmembranen gebildet wurden, was zur Bildung der ersten Protozelle führte. Wissenschaftler sind in der Lage, Analoga des RNA-Polymerase-Ribozyms zu synthetisieren, die die Synthese anderer Ribozyme katalysieren, oder sogar kurze Sequenzen von Ribonukleotiden zu kopieren. Es ist jedoch immer noch nicht möglich, einen Ribozym-Replikator zu erhalten.
Ribosom Thermus thermophilus
Bild: Public Domain / Wikimedia
Es gibt noch ein anderes Problem. Die in Laboratorien synthetisierten Ribozyme sind nur in sehr hohen Konzentrationen an Magnesiumionen aktiv, die Lipidmembranen zerstören. Dies bedeutet, dass eine grundlegende Inkompatibilität zwischen ribonukleären RNA-Polymerasen und den Prozessen der Protozellenbildung besteht.
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Die Situation wird durch die Tatsache gerettet, dass die RNA-Moleküle nicht aus vielen anderen chemischen Verbindungen wie Peptiden isoliert wurden. Ribozyme könnten mit Aminosäuresequenzen kooperieren, die ihre Funktion beeinträchtigen. Dies wird auch durch die Tatsache unterstützt, dass die Aktivität von Ribozymen wie Spliceosomen (Herausschneiden von Introns aus reifender Messenger-RNA), Ribosomen (an der Proteinsynthese beteiligt) und Ribonuklease P (katalysierender RNA-Abbau) von verwandten Proteinen abhängt. Untersuchungen haben gezeigt, dass bestimmte Proteine, die an Ribozyme binden, Veränderungen in ihrer Sekundärstruktur und -funktion verursachen. Somit können Proteine im Fall von Ribonukleasen P die für ihre Aktivität notwendige Konzentration an Magnesiumionen verringern. Vor diesem Hintergrund beschlossen die Wissenschaftler herauszufinden, ob Peptide die Funktion von RNA-Polymerase-Ribozymen auf ähnliche Weise beeinflussen und ihre Abhängigkeit von Magnesium verringern könnten.
Um diese Frage zu beantworten, müssen keine Proteine ausgewählt werden, sondern nur diejenigen, die einmal mit Ribozymen der RNA-Welt interagiert haben. Die Wissenschaftler wandten sich der Struktur von Ribosomen zu, die eine Art molekulares Relikt darstellen. Forschungsergebnisse zeigen, dass Ribosomen in ihrer modernen Form bereits in LUCA vorhanden waren - dem gemeinsamen Vorfahren aller modernen Lebensformen.
Die Struktur der Ribosomenuntereinheiten von Thermus thermophilus
Bild: Philipp Holliger / Cambridge
In der Struktur des Ribosoms, das aus Proteinen, Ribonukleinsäuren und Ionen besteht, wird seine Entwicklung aufgezeichnet. Somit ist die Basis der großen ribosomalen Untereinheit mit Magnesiumionen angereichert. Allmählich wurde es mit zusätzlichen Modulen überwachsen, in denen Ionen durch Peptide ersetzt wurden. Laut Wissenschaftlern spiegelt die Beziehung zwischen Ribozymen und Aminosäureketten die Evolutionsgeschichte der RNA-Welt und ihren Übergang zur RNA-Peptid-Welt wider. Aus diesem Grund wurde die Wirkung von Peptiden aus Ribosomen analysiert, die als die ältesten Proteinsequenzen der Erde gelten.
Die Forscher identifizierten mehrere Peptide aus beiden Ribosomenuntereinheiten des Bakteriums Thermus thermophilus, die die Aktivität des RNA-Polymerase-Z-Ribozyms erhöhten, das RNA-Moleküle repliziert.
Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme von Membranvesikeln
Bild: MRC Laboratory of Molecular Biology / Cambridge / Vereinigtes Königreich
Den signifikantesten Effekt hatte jedoch das homopolymere Lysin-Decapeptid (K10), eine Aminosäuresequenz von zehn Lysinmolekülen. Es unterstützte Ribozymfunktionen bei niedrigen Konzentrationen von Magnesiumionen und bildete einen Peptid-Ribozym-Komplex. Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass dies auf die Stabilisierung von Zwischenprodukten im Katalysezyklus zurückzuführen ist.
Um zu testen, ob dieses Peptid die Aktivität von Ribozymen im Membrankompartiment fördern kann, führten die Forscher ein Experiment durch. Es wurden stabile Vesikel erhalten, die aus Phospholipiden und Diacylglycerinen bestanden, in die RNA eingekapselt war. Bei einer Konzentration von Magnesiumionen von 10 Millimol (sicher für die Membran) und in Gegenwart von K10 wurde eine Ribozym-katalysierte RNA-Synthese beobachtet. In Abwesenheit von Magnesium fand jedoch keine Synthese statt.
Dies weist darauf hin, dass die Peptide es Ribozymen tatsächlich ermöglichten, katalytische Aktivität bei geringen Konzentrationen toxischer Ionen auszuführen. Infolgedessen nahm die Abhängigkeit von RNA-Polymerasen von anorganischen Molekülen ab, was ihre Evolution und letztendlich die Evolution von Zellen erleichterte.
Alexander Enikeev
