RNAに基づく進化

RNA ベースの進化は、 RNA が単にワトソンとクリックのDNA分子モデルとタンパク質の中間にあるのではなく、表現型を決定する上ではるかに動的で独立した役割を果たすという理論です。DNA 配列の転写、 RNA の安定性、メッセンジャー RNAの翻訳能力を調節することにより、RNA 処理イベントによって単一の遺伝子から多様なタンパク質を合成することができます。RNA 処理は遺伝性であるため、ダーウィンが示唆した自然選択の対象となり、ほとんどの真核生物 の進化と多様性に貢献しています。

分子生物学のセントラルドグマによれば、RNAはゲノムのDNAと生物内で発現するタンパク質の間で情報を伝達する。^[1] したがって、進化論の観点からは、 DNA塩基内の変異はRNA転写産物の変化をもたらし、それが直接的な表現型の違いにつながる。RNAは地球上の最初の生命の遺伝物質であったとも考えられている。生命の起源におけるRNAの役割は、40億年前に存在していたと思われる基本的な化学構成要素（アミノ酸、糖、ヒドロキシル酸など）からRNAを形成することが容易であったことから最もよく裏付けられている。^{[2] [3] RNA分子は、効果的に自己複製し、基本的な反応}を触媒し、遺伝情報を保存できること も示されている。 ^{[4] [5]} 生命が時間とともに進歩し進化するにつれて、RNAよりもはるかに化学的に安定しているDNAだけが大きなゲノムをサポートでき、最終的に遺伝情報の主要なキャリアとしての役割を引き継いだ。^[6]

一本鎖RNA分子は単独で複雑な構造に折り畳まれます。分子は分子内塩基対形成によって二次構造と三次構造に折り畳まれます。^[7]効率的な構造形成を促進する無秩序と秩序の微細なダイナミクスがあります。RNA鎖は相補的な塩基対を形成します。これらの相補的なRNA鎖は別の鎖と塩基対を形成し、その結果、対になった鎖が折り畳まれて三次元形状が形成されます。二次構造の形成は鎖間の水素結合による塩基対形成によって生じ、三次構造はRNAの折り畳みによって生じます。三次元構造は溝とらせんで構成されています。^[8]これらの複雑な構造の形成は、初期の生命がRNAによって形成された可能性があると疑う理由を与えます。

過去 10 年間の研究では、RNA 鎖は単に DNA 領域から転写されてタンパク質に翻訳されるだけではないことが示されています。むしろ、RNA は DNA からの以前の独立性をある程度保持しており、タンパク質の発現をゲノム DNA のみに限定したものから変更する処理イベントのネットワークの対象となっています。^[9] RNA の処理は、DNA 配列の転写、RNA の安定性、メッセンジャー RNA の翻訳を管理することで、タンパク質の発現に影響を与えます。

スプライシングは、RNAの非コード領域を除去するプロセスです。スプライシングイベントの数と組み合わせは、転写配列と環境要因の相違に基づいて大きく異なります。選択的スプライシングによって引き起こされる表現型の変動は、D. melanogasterの性別決定で最もよく見られます。雄のハエの性別決定因子であるTra遺伝子は、スプライシングイベントがRNA分子の長さを制御する停止コドンを除去できないため、切り詰められます。他のハエでは、停止シグナルが最終的なRNA分子内に保持され、機能的なTraタンパク質が生成され、雌の表現型になります。^[10] このように、選択的RNAスプライシングイベントは、コーディングDNA配列の同一性に関係なく、異なる表現型を可能にします。

表現型はRNA分子の数によっても決まる場合があり、RNA転写産物が多いほどタンパク質の発現が増加する。分解を防ぐために、反復核酸の短い尾がRNA分子の末端に付加されることが多く、タンパク質に翻訳できるRNA鎖の数を効果的に増やす。^[11] 哺乳類の肝臓再生の際には、シグナル伝達尾の追加により成長因子のRNA分子の数が増える。^[12] 転写産物が多く存在すると、成長因子がより速く生成され、臓器の再構築プロセスを助けます。

RNAのサイレンシングは、二本鎖RNA分子が一連の酵素反応によって処理され、相補的なRNA配列を分解するRNA断片が生成されるときに発生します。^{[13] [14]} 転写産物が分解されると、翻訳されるタンパク質産物の量が減少し、さらに別のRNA処理イベントによって表現型が変化します。

地球の初期発達史において、RNAは生命の主要な物質であった。RNAは遺伝物質の設計図として機能し、その設計図を増やす触媒であった。現在、RNAはタンパク質を形成することによって作用する。タンパク質酵素は触媒反応を行う。RNAは遺伝子発現に不可欠であり、遺伝子発現はmRNA、rRNA、およびtRNAに依存する。^[15]タンパク質とRNAの間には関係がある。この関係は、エネルギーまたは情報の相互伝達があることを示唆している可能性がある。^[16]試験管内RNA選択実験では、アミノ酸に強く結合するRNAが生成された。RNAヌクレオチド配列によって認識されるアミノ酸には、そのアミノ酸のコドンの頻度が不釣り合いに高いことが示されている。特定のRNA配列を含むアミノ酸の直接的な関連により、限定された遺伝コードが生成された可能性がある。^[17]

ほとんどのRNA処理イベントは互いに連携して機能し、ゲノムによって厳密に指示されるものよりも多様なタンパク質を発現できるようにする制御プロセスのネットワークを生成します。^[9]これらのRNA処理イベントは、ゲノムへの逆転写を 介して世代から世代へと受け継がれることもできます。 ^{[9] [18]} 時間の経過とともに、最も適応した表現型を生成するRNAネットワークが集団内で維持される可能性が高くなり、進化に貢献します。研究では、RNA処理イベントは脊椎動物の急速な表現型の進化に特に重要であり、表現型の大きなジャンプはRNA処理イベントの変化によって説明されることが示されています。^[19] ヒトゲノムの探索により、重要な「より多くの可変性のための配列スペース」を提供するRNA処理イベントも明らかになりました。^[20] 全体として、RNA処理は特定の遺伝子型の可能な表現型を拡大し、生命の進化と多様性に貢献しています。

RNAウイルスの進化は、ウイルスゲノム複製中の校正機構の欠如によって引き起こされる高い突然変異率によって促進されると思われる。^[21] 突然変異に加えて、RNAウイルスの進化は遺伝子組換えによっても促進される。^[21] 遺伝子組換えは、少なくとも2つのRNAウイルスゲノムが同じ宿主細胞内に存在する場合に発生する可能性があり、多くのRNAウイルスで研究されている。^{[22] RNA組換えは、}ピコルナウイルス科（(+)ssRNA）（例：ポリオウイルス） におけるウイルス進化の主な原動力であると思われる。^[23]レトロウイルス科（(+)ssRNA）（例：HIV ）では、逆転写中にRNAゲノムの損傷が、遺伝子組換えの一形態である鎖スイッチングによって回避されると思われる。^{[24] [25] [26]組換えは}コロナウイルス科（(+)ssRNA）（例：SARS） でも発生する。 ^[27] RNAウイルスにおける組み換えは、ゲノム損傷に対処するための適応であると思われる。^[22] 組み換えは、同じ種であっても異なる系統の動物ウイルス間ではまれに発生することがある。その結果生じた組み換えウイルスは、ヒトに感染を引き起こすことがある。^[27]

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