Świat RNA

Nie wiemy dokładnie, czym były pierwsze replikujące się cząsteczki i jak dokonały przejścia od replikowania się do interakcji ze światem – mogły to być cząsteczki RNA, a może jeszcze prostsze związki, takie jak peptydy. Pojawiły się jakieś 4 miliardy lat temu, prawdopodobnie w mikroskopijnych otworach w skale wokół głęboko położonych kominów hydrotermicznych (chociaż Jack Szostak argumentuje, że pojawiły się w małych pęcherzykach zrobionych z kwasów tłuszczowych, ale tak naprawdę, to nikt nie wie).

Gdziekolwiek się znajdowały, te wczesne systemy replikacyjne musiały przyspieszyć reakcje chemiczne, które definiują życie. Pozostawiony sam sobie ten rodzaj reakcji, jaki ma miejsce w naszych komórkach, potrzebowałby miliardów lat, by pojawić się spontanicznie; w obecności RNA zabiera to ułamek sekundy.

W pewnym momencie, może po okresie ewolucji i konkurencji między różnymi biochemicznymi rodzajami życia, powstał świat RNA. Nie ma bezpośrednich śladów tego świata, więc nasze poglądy opierają się na silnie podbudowanych przypuszczeniach, nie zaś na dowodach fizycznych.

Był to bardzo różny rodzaj życia od tego, jaki znamy. W świecie RNA cząsteczki RNA były podstawą zarówno reprodukcji, jak interakcji biochemicznych (to jest, działały jako enzymy, przyspieszając i faworyzując reakcje chemiczne).

W świecie bez DNA lub białek informacja genetyczna zawarta w cząsteczce RNA kodowała po prostu ten odcinek RNA. Reprodukcja odnosiła się do kopiowania cząsteczek RNA, które działały jako enzymy do kierowania reakcjami chemicznymi. Te cząsteczki RNA dostarczały surowca doborowi naturalnemu, by rozpoczął swoją długą pracę przesiewania między odmianami, prowadząc z czasem do życia opartego na DNA, które obecnie pokrywa planetę.

Myśl, że najpierw był świat RNA, wysunął kolega Oswalda Avery’ego, Rollin Hotchkiss, na sympozjum zorganizowanym przez nowojorską Akademię Nauk w 1957 r. Uderzony faktem, że jedne wirusy używają RNA, a inne DNA, Hotchkiss zaproponował:

[Jako] genetyczny czynnik determinujący RNA został zastąpiony podczas ewolucji biochemicznej przez bardziej molekularnie i metabolicznie stabilny DNA. Linie komórkowe zachowały RNA, które – w ewolucji – były pierwotne wobec DNA i mogły pozwolić im na magazynowanie informacji w DNA, stając się tym samym podporządkowane metabolicznie.

Pod koniec lat 1960. myśl tę podjęli Francis Crick, Leslie Orgel i Carl Woese; Wally Gilbert ukuł zwrot “świat RNA” w 1986 r.

Chociaż świat RNA już nie istnieje (choć, kto wie, jakie tajemnice czają się w głębokim oceanie?) wszyscy nosimy w naszych komórkach jego dziedzictwo. Kiedy pojawiło się nasze oparte na DNA życie, ewolucja nie przeprojektowała życia od zera: użyła tego, co było pod ręką, adaptując istniejące szlaki biochemiczne RNA i zamieniając je w coś nowego i dziwnego.

To wyjaśnia, dlaczego RNA nie jest po prostu biernym posłańcem między dwoma fundamentalnymi składnikami życia – DNA i białkami. Odgrywa wiele ról, przenosząc informację genetyczną w komórce i kształtując sposób, w jaki jest wyrażana, tak samo, jak robił to w świecie RNA. Jak powiedział zajmujący się RNA biochemik Michael Yarus: „Bez RNA komórka byłaby tylko archiwum, bez żadnej akcji”.

RNA jest zaangażowany w całą niemal maszynerię komórki do wydobywania informacji z DNA i albo wytwarzania białek, albo kontrolowania aktywności genów. Pod wieloma swoimi postaciami RNA wykonuje zasadnicze funkcje w komórce, mimo że utracił rolę ucieleśniania informacji genetycznej, którą to rolę przejęła podwójna helisa DNA. Podwójna helisa - ikoniczna, sztywna i stała – kontrastuje z wieloma postaciami fizycznymi, jakie może przybrać RNA, umożliwiając mu wykonywanie tak szerokiego wachlarza funkcji, co musiało być bardzo ważną cechą świata RNA.

Tak samo, jak nie wiemy, kiedy pojawił się świat RNA, nie wiemy też, kiedy ostatecznie zniknął. Wszystko, co możemy, to prześledzić oparte na DNA organizmy do Ostatniego Uniwersalnego Wspólnego Przodka [Last Universal Common Ancestor (LUCA)], populacji jednokomórkowych organizmów DNA, które żyły, być może, 3,8 miliarda lat temu. LUCA wyewoluowały ze świata RNA, by z czasem – być może szybko – wykonkurować go i zastąpić.

Zastąpienie RNA jako składnicy informacji genetycznej jej bardziej stabilnym kuzynem, DNA, dostarczyło bardziej niezawodnego sposobu przekazywania informacji z pokolenia na pokolenie. To wyjaśnia, dlaczego DNA używa tyminy (T) jako jednej ze swoich czterech zasad informacyjnych, podczas gdy RNA używa w to miejsce uracylu (U).

Problem polega na tym, że cytozyna (C), jedna z dwóch pozostałych zasad, z łatwością może zamienić się w uracyl przez prostą reakcję o nazwie deaminacja. Dzieje się to spontanicznie dziesiątki razy dziennie w każdej z twoich komórek, ale maszyneria komórkowa z łatwością to naprawia, bo w DNA U jest bez sensu. W RNA jednak taka zamiana byłaby znacząca – komórka nie byłaby w stanie rozróżnić między U, który ma tam być i na podstawie którego trzeba działać, a U, który jest spontaniczną mutacją z C i który trzeba naprawić.  

Nie sprawia to twoim komórkom żadnych trudności, ponieważ większość RNA jest tak przelotna, że nie ma czasu na mutacje – w przypadku matrycowego RNA jest on kopiowany z DNA bezpośrednio przed użyciem. Tymina jest znacznie stabilniejsza i nie zmienia się tak łatwo spontanicznie.

Nowe formy życia oparte na DNA musiały mieć znaczną przewagę, ponieważ angażowały białka do wszystkich swoich aktywności komórkowych. Chociaż nie wiemy, kiedy ani dlaczego rozwinęła się synteza białek, wydaje się nieprawdopodobne, by pojawiło się to natychmiastowo – prawdopodobnie nie było rewolucji białkowej. Początkowo interakcje RNA i aminokwasów (cegiełek białek) umożliwiły formom życia opartym na RNA zdobycie jakich dodatkowych własności metabolicznych, zanim w końcu pojawienie się łańcuchów aminokwasów – białek – stworzyło świat oparty na białku.

W pewnym momencie DNA zastąpił RNA jako cząsteczka informacyjna, zabezpieczając sekwencję genetyczną, używając RNA do tworzenia szybkich translacji tej sekwencji w produkcję białek, zaś enzymy RNA zostały dokooptowane i zamienione w części maszynerii komórkowej, jak transfer RNA i rybosomów. Białka mogą wykonywać niemal nieskończony wachlarz funkcji biologicznych, zarówno jako składniki strukturalne, jak enzymy. Pod obydwoma względami znacznie przewyższają RNA. Pojawienie się białek otworzyło więc nowe nisze dla życia, roznosząc DNA i białka po całej planecie, tworząc i nieustannie zmieniając biosferę.

Te nowe, oparte na DNA formy życia wykonkurowały organizmy świata RNA swoją elastycznością i wachlarzem nisz, jakie mogły zajmować. Były także w stanie rosnąć znacznie szybciej: nowoczesna komórka oparta na DNA replikuje się w około 20 minut. Eksperymenty sugerują, że reprodukcja mogła zabrać wiele dni formie życia opartej na RNA. Świat RNA był powolny, ograniczony i prawdopodobnie skazany na głębiny oceanów.

Korzyści ewolucyjne i ekologiczne uzyskane dzięki użyciu białek przez życie oparte na DNA pokazuje, że pojawienie się translacji z sekwencji zasad RNA w sekwencję aminokwasów było decydującym krokiem ewolucyjnym. Ewolucja kodu genetycznego była zasadnicza dla życia, jakie znamy. Jest to naprawdę największa tajemnica życia.

____________

Dalsze lektury:

Jeśli chcecie wiedzieć więcej, gorąco polecam książkę Michaela Yarusa Life from an RNA World.

Artykuł, który napisał Thomas R.  Cech także jest znakomity, choć mniej przystępny:  Thomas R. Cech (2012) The RNA Worlds in Context Cold Spring Harb Perspect Biol 

The RNA World

Why Evolution Is True, 18 listopada 2014

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska

Matthew Cobb