RNAの特性 RNAの特性により、RNAワールド仮説は概念的にはもっともらしいものの、生命の起源の説明として広く受け入れられるには、さらなる証拠が必要である。[ 21 ] RNAは効率的な触媒を形成することが知られており、DNAとの類似性から情報を保存する能力があることは明らかである。しかし、RNAが最初の自律的な自己複製システムを構成したのか、それともさらに以前のシステムの派生物であったのかについては意見が分かれている。[ 3 ] この仮説の1つのバージョンは、 pre-RNA と呼ばれる別のタイプの核酸 が最初に自己複製分子として出現し、後にRNAに置き換えられたというものである。一方、2009年に活性化ピリミジンリボ ヌクレオチドがもっともらしい 前生物的 条件下で合成できることが発見された[ 22 ] ことから、RNAファーストシナリオを否定するのは時期尚早であると考えられる。[ 3 ] 「単純な」プレRNA 核酸の提案としては、ペプチド核酸 (PNA)、トレオース核酸 (TNA)、グリコール核酸 (GNA)などが挙げられる。[ 23 ] [ 24 ] 構造が単純でRNAに匹敵する特性を持つにもかかわらず、前生物的条件下で「より単純な」核酸が化学的に妥当な方法で生成されることはまだ実証されていない。[ 25 ]
酵素としてのRNA 1980年代には、自己処理が可能なRNA構造が発見され[ 26 ] 、リボヌクレアーゼP のRNA部分 が触媒サブユニットとして機能した[ 27 ] 。これらの触媒RNA( RNA酵素 またはリボザイムと呼ばれる)は、今日のDNAベースの生命に見られ、生きた化石の例である可能性がある。リボザイムは、 リボソーム などの重要な役割を担っている。リボソームの大きなサブユニットには、タンパク質合成 のペプチド結合形成ペプチジル転移 酵素活性を担うrRNAが 含まれている。他にも多くのリボザイム活性が存在する。例えば、ハンマーヘッドリボザイムは 自己切断を行い[ 28 ] 、RNAポリメラーゼ リボザイムはプライマー付きRNAテンプレートから短いRNA鎖を合成することができる[ 29 ] 。
生命の始まりにとって重要な酵素特性には、以下のようなものがある。
自己複製 自己複製能力、あるいは他のRNA分子を合成する能力。比較的短いRNA分子が人工的に合成されており、それらの分子は165塩基 長である。ただし、この機能には分子の一部のみが不可欠であると推定されている。 あるバージョン(189塩基長)は、プライマー付きテンプレート鎖から11ヌクレオチド長のRNA鎖を合成する際に、ヌクレオチドあたりのエラー率がわずか1.1%であった。[ 30 ] この189塩基対のリボザイムは、最大14ヌクレオチド長のテンプレートを重合することができ、これは自己複製には短すぎるが、さらなる調査の潜在的な手がかりとなる。リボザイムポリメラーゼによって実行された最長のプライマー伸長は 20塩基であった。[ 31 ] 2016年、研究者らは、RNAテンプレートから機能的なRNA分子を合成できる変異体を選択することで、RNAポリメラーゼリボザイムの活性と汎用性を劇的に向上させるために、試験管内進化を利用したことを報告した。[ 32 ] 各RNAポリメラーゼリボザイムは、新しく合成されたRNA鎖に結合したままになるように設計されており、これにより研究チームは成功したポリメラーゼを単離することができた。単離されたRNAポリメラーゼは、再び別の進化ラウンドに使用された。数回の進化ラウンドの後、彼らは、小さな触媒から長いRNAベースの酵素まで、ほぼすべての他のRNAをコピーできる24-3と呼ばれる1つのRNAポリメラーゼリボザイムを得た。特定のRNAは最大10,000倍に増幅され、ポリメラーゼ連鎖反応 (PCR)の最初のRNAバージョンとなった。[ 32 ] 生命は 35億年以上前に無生物から出現したと考えられており、その際に原始的な生命発生 過程が徐々に進化して、鋳型に基づく複製が可能な自己触媒過程になったと考えられている。 [ 33 ] リボザイムによって触媒される実験的に実行可能な RNA 反応に基づいて、生命の出現は変異 、遺伝 、生殖の進化特性を含む漸進的な過程であり、最終的に ダーウィン進化 を可能にした可能性が高いと提唱された。[ 33 ] 最近の取り組みは、初期進化の過程で、妥当なヌクレオチド中間体と、鎖複製と鎖分離が交互に起こるような妥当な環境条件が存在したと仮定した条件下で、 RNA 複製を実証することに向けられている。そのような取り組みの一つとして、2',3'-環状リン酸ライゲーションを用いて、鎖分離とも両立する条件下でポリヌクレオチド合成を可能にする高忠実度RNAコピーを実証した。 [ 34 ] 別の研究では、初期進化の過程で豊富であったと考えられるモデル化された振動する冥王代 環境では、リボザイムを介したRNA合成と複製が起こり得ることが示された。[ 35 ] 触媒作用 単純な化学反応を触媒する 能力は、RNA 分子の構成要素となる分子 (つまり、より多くの RNA 鎖を作りやすくする RNA 鎖) の生成を促進する。このような能力を持つ比較的短い RNA 分子は、実験室で人工的に作られている。[ 36 ] [ 37 ] 最近の研究では、適切な選択の下では、ほぼすべての核酸が触媒配列に進化できることが示された。たとえば、Bos taurus (ウシ)アルブミン mRNA をコードする任意に選択された 50 ヌクレオチドの DNA 断片を試験管進化にかけ、RNA 切断活性を持つ触媒 DNA (デオキシリボザイム 、または DNA ザイムとも呼ばれる) を得た。わずか数週間後には、顕著な触媒活性を持つ DNA ザイムが進化していた。[ 38 ] 一般的に、DNA は RNA よりも化学的に不活性であるため、触媒特性を得るのに非常に抵抗性がある。 DNAの試験管内進化が機能するなら、RNAではもっと簡単に起こるだろう。2022年、ニック・レーンと共著者らは、短いRNA配列が原始細胞の複製と成長を支えるCO2固定を触媒できた可能 性 があることを計算シミュレーションで示した。[ 39 ] アミノ酸-RNA連結 アミノ酸をRNAの3'末端に結合させて、その化学基を利用したり、長い分岐脂肪 族側鎖を提供したりする能力。アミノ酸は、より複雑なペプチドに進化する前は、RNA分子の酵素能力を強化または多様化する補因子として最初に関与していた可能性があると示唆されている。今日では、これはアミノアシルtRNA の形で最も一般的に見られる。[ 40 ] ペプチド結合形成 アミノ酸間のペプチド結合の形成を触媒して、短い ペプチド またはより長いタンパク質 を生成する能力。これは現代の細胞ではリボソームによって行われ、リボソームはrRNA と呼ばれる複数のRNA分子と多くのタンパク質からなる複合体である。rRNA分子は酵素活性の原因と考えられており、酵素の活性部位から18Å以内にアミノ酸残基は存在しない[ 21 ] 。 また 、 リボソーム 内のアミノ酸残基の大部分を厳密に除去しても、得られたリボソームは完全なペプチジル転移酵素 活性を保持し、アミノ酸間のペプチド結合の形成を完全に触媒することができた[ 41 ] 。 ペプチジル転移酵素中心(PTC)周辺の領域の擬似2回対称性から、RNAワールドの古代の二量体分子の痕跡がリボソーム内で機能しているというプロトリボソーム仮説が提唱された。[ 42 ] この領域の23SリボソームRNA配列から派生したRNA分子が、プロトリボソーム仮説を検証するために2022年に実験室で合成された。この分子は二量体化してペプチド結合を形成することができた。[ 43 ] 1999年に実験室でペプチド結合 を形成する能力を持つ、はるかに短いRNA分子が合成され、rRNAは同様の分子から進化したと考えられている。[ 44 ] tRNAは 、アミノ酸転移を触媒し始めたRNA分子から進化したと考えられている(上記のアミノ酸-RNA連結に関する議論も参照)。[ 45 ] リボソームの現在のコアであるPTCも、5つのプロトtRNAの連結から進化した可能性がある。[ 46 ] [ 47 ] RNPワールド 型の仮説では、tRNAアクセプターステムとaaRSの触媒ドメインは遺伝暗号とPTCよりも先に存在していたとされています。[ 48 ]
補因子 タンパク質酵素はさまざまな化学反応を触媒しますが、その半数以上は触媒活性を促進および多様化するために補因子を取り込んでいます。[ 49 ] 補因子は、アミノ酸ではなく主にヌクレオチドに基づいているため、生物学において不可欠です。リボザイムはヌクレオチド補因子を使用して代謝を作り出し、非共有結合または共有結合の2つの基本的な選択肢があります。どちらのアプローチも、指向性進化を使用してタンパク質触媒プロセスのRNA複製を再構築することで実証されています。LorschとSzostak [ 50 ] は、自身をリン酸化してATP-γSを 基質として使用できるリボザイムを調査しました。しかし、選択された7つのクラスのリボザイムのうち、検出可能なATP親和性を持つのは1つだけであり、ATPに結合する能力が損なわれていることが示されました。NAD + 依存性レドックスリボザイムも評価されました。[ 51 ] 選択されたリボザイムは10 7 倍以上の増強率を示し、逆反応であるNADHによるベンズアルデヒド還元を触媒することが証明された。[ 52 ] アデノシンを補因子として使用することは現在の代謝で広く行われており、RNAワールドでも一般的であった可能性が高いため、これらの発見はRNAワールドにおける代謝の進化にとって不可欠である。
RNAはDNAと非常によく似た分子で、化学的な違いは2つだけです(RNAの骨格はデオキシリボースではなくリボースを使用し、核酸塩基はチミン ではなくウラシル です)。RNAとDNAの全体構造は非常に似ており、DNAの1本鎖とRNAの1本鎖が結合して二重らせん構造を形成できます。このため、RNAへの情報保存はDNAへの情報保存と非常によく似た方法で行うことができます。しかし、RNAはリボースの2'位にヒドロキシル基が存在するため加水分解を受けやすく、安定性はDNAよりも劣ります。
RNAとDNAの主な違いは、2'位にヒドロキシル基が存在することである。
RNAの化学的性質により、大きなRNA分子は 本質的に壊れやすく、加水分解 によって構成ヌクレオチドに容易に分解される。[ 54 ] [ 55 ] これらの制限は、RNAを情報貯蔵 システムとして利用することを不可能にするものではなく、単にエネルギーを大量に消費し(損傷したRNA分子を修復または交換するため)、突然変異を起こしやすいというだけである。このため、現在の「DNA最適化」された生命には不向きであるが、より原始的な生命には許容できたかもしれない。
RNAは調節因子として機能する リボスイッチは、特に細菌において、また植物や古細菌 においても、遺伝子発現の調節因子として機能することがわかっています。リボスイッチは、代謝物 の結合に応じて二次構造を 変化させます。リボスイッチのクラスは、多様な生物間でも高度に保存されたアプタマー 領域を持っています。標的代謝物がこのアプタマーに結合すると、構造変化が起こり、mRNAによって運ばれる遺伝子の発現が調節されます。これらの変化は、アプタマーの下流に位置する発現プラットフォームで起こります。[ 56 ] この構造変化は、ターミネーター の形成または破壊をもたらし、それぞれ転写を短縮または許可します。[ 57 ] あるいは、リボスイッチはシャイン-ダルガノ配列に 結合または遮断し、翻訳に影響を与える可能性があります。 [ 58 ] これらはRNAベースの世界で起源したと考えられています。[ 59 ] さらに、RNAサーモメーターは 、温度変化に応じて遺伝子発現を調節します。[ 60 ]
前生物RNA合成 RNAワールド仮説は、リボヌクレオチドの自発的な重合がリボザイム の出現につながり、RNAレプリカーゼ も含まれると提唱している。 ヌクレオチドは、RNAを形成するために直列に結合する基本的な分子です。ヌクレオチドは、糖リン酸骨格に結合した窒素塩基から構成されています。RNAは、塩基配列が情報を伝えるように配置された特定のヌクレオチドの長い配列からできています。RNAワールド仮説では、原始スープ (またはサンドイッチ )には、自由に浮遊するヌクレオチドが存在していたとされています。これらのヌクレオチドは、エネルギーの変化が非常に小さいため、互いに定期的に結合を形成しましたが、しばしば切断されました。しかし、特定の塩基対配列には、鎖の形成エネルギーを低下させる触媒特性があり、より長い時間一緒にいることができます。各鎖が長くなるにつれて、より多くの一致するヌクレオチドをより速く引き付け、鎖の形成速度が分解速度よりも速くなりました。[ 82 ]
これらの鎖は、生命の最初の原始的な形態であると提唱されている。RNAワールドでは、異なるRNA鎖のセットは異なる複製出力を持ち、それが集団内での頻度を増減させ、すなわち自然選択を 引き起こしたと考えられる。最も適応したRNA分子のセットが数を増やすにつれて、その存続と拡大に有利な突然変異によって付加された新しい触媒特性が集団内に蓄積される可能性がある。約1時間で自己複製できるこのような自己触媒リボザイムのセットが特定されている。これは、候補酵素混合物の分子競合( 試験管内 進化 )によって生成された。[ 83 ]
RNA間の競争は、異なるRNA鎖間の協力の出現を促進し、最初の原始細胞 の形成への道を開いた可能性がある。最終的に、RNA鎖はアミノ酸同士の 結合を助ける触媒特性(ペプチド結合 と呼ばれるプロセス)を持つようになった。これらのアミノ酸はRNA合成を助け、リボザイムとして機能するRNA鎖に選択的優位性を与えた。タンパク質合成の1段階であるRNAのアミノアシル化 を触媒する能力は、短い(5ヌクレオチド)RNAセグメントで実証されている。[ 84 ]
2014年、研究者グループは原始的な条件下で小惑星の衝突を シミュレートすることで、RNAの4つの構成要素すべてを生成することに成功した。 [ 85 ] 2015年3月、NASAの科学者は、隕石 に含まれるピリミジンなどの 出発物質を用いて、 宇宙空間 でのみ見られる条件下で、ウラシル、シトシン、チミンなどの複雑なDNAおよびRNA有機化合物が実験室で初めて生成されたと報告した。科学者によると、ピリミジンは多環芳香族炭化水素(PAH)と同様に、 赤色 巨星または星間塵 とガス雲で生成された可能性がある。[ 86 ] 同じ月、研究者は硫化水素 、シアン化水素 (おそらく宇宙隕石が 大気中の窒素 と反応した後に生成されたもの) 、紫外線 のみを使用して、実験室で50種類以上のアミノ酸を生成することに成功した。[ 87 ]
2018年、ジョージア工科大学 の研究者らは、プロトRNAの初期バージョンを形成した可能性のある塩基の候補として、バルビツール酸 、メラミン 、および2,4,6-トリアミノピリミジン (TAP)の3つの分子を特定した。これら3つの分子は、現在のRNAの4つの塩基のより単純なバージョンであり、より多く存在し、それらと前方互換性が あった可能性があるが、より最適な塩基対と交換するために進化によって捨てられた可能性がある。[ 88 ] 具体的には、TAPは幅広い糖とヌクレオチドを形成できる。[ 89 ] TAPとメラミンはどちらもバルビツール酸と塩基対を形成する。3つすべてがリボースと自発的にヌクレオチドを形成する。[ 90 ]
2026年の研究では、ランダム配列プールから発見された45ヌクレオチドのポリメラーゼリボザイムが合成され、一般的なRNAテンプレートRNA合成を触媒することが示された。このリボザイムは、相補鎖と自身のコピーの両方をかなりの精度で合成できる。著者らは、ポリメラーゼリボザイムはこれまで考えられていたよりもRNA配列空間に豊富に存在すると推測している。[ 91 ]
DNAの進化 RNAワールド仮説が提起する課題の1つは、RNAベースのシステムがDNAベースのシステムに移行した経路を発見することです。オレゴン州ポートランド州立大学のジェフリー・ディーマーとケン・ステッドマンは、解決策を見つけたかもしれません。カリフォルニア州ラッセン火山国立公園の高温酸性湖でウイルスの調査を行っていたところ、単純なDNAウイルスが全く関係のない RNAベースのウイルス から遺伝子を獲得した証拠を発見しました。カリフォルニア大学アーバイン校のウイルス学者ルイス・P・ビジャレアル も、RNAベースの遺伝子をDNAに変換し、それをより複雑なDNAベースのゲノムに組み込むことができるウイルスは、約40億年前のRNAからDNAへの移行期にウイルスの世界で一般的だった可能性があると示唆しています。[ 92 ] [ 93 ] この発見は、最後の普遍的共通祖先 が出現する前に、RNAワールドから出現しつつあったDNAワールドへの情報伝達の議論を強化します。研究から、このウイルスワールド の多様性は今もなお存在しています。
ウイロイド RNAワールドの概念を裏付ける追加的な証拠は、新しいドメイン「亜ウイルス病原体」の最初の代表であるウイロイドの研究から得られた。 [ 94 ] [ 95 ] ウイロイドは植物に感染し、そのほとんどが病原体であり、タンパク質コートを持たない、高度に相補的な環状一本鎖非コードRNAの短い断片から構成されている。ウイロイドは極めて小さく、246~467塩基対の範囲であり、感染を引き起こすことができる既知の最小のウイルスのゲノムの長さが約2,000塩基対であることと比較すると小さい。[ 96 ]
1989年、植物生物学者のテオドール・ディーナー は、ウイロイドの特性に基づいて、当時候補と考えられていたイントロン や他のRNAよりも、ウイロイドの方がRNAワールドの生きた遺物としてより妥当であると主張した。 [ 97 ] ディーナーの仮説はリカルド・フローレスの研究グループによって拡張され、[ 98 ] [ 99 ] 2014年にニューヨーク・タイムズの 科学記者がこの提案を一般向けに解説した記事を発表したことで、より幅広い読者層を獲得した。[ 100 ]
RNAワールドと一致するものとして強調されたウイロイドの特徴は、その小さなサイズ、高いグアニンとシトシン含有量、環状構造、構造周期性、タンパク質コード能力の欠如、そして場合によってはリボザイムを介した複製であった。[ 99 ] この仮説の批判者が注目している点の1つは、既知のすべてのウイロイドの唯一の宿主である被子植物 が、RNAワールドが置き換えられてから数十億年後まで進化しなかったため、ウイロイドは、その長い期間に隠れた宿主を介して生き残ったよりも、RNAワールドとは無関係の後期の進化メカニズムによって生じた可能性が高いということである。[ 101 ] ウイロイドがそのワールドの遺物であろうと、より最近の起源であろうと、自律的な裸のRNAとしてのウイロイドの機能は、RNAワールドで想定されている機能と類似していると考えられている。
有性生殖の起源 アイゲンら [ 102 ] とウーズ[ 103 ] は、初期の原始細胞 のゲノムは一本鎖RNAで構成されており、個々の遺伝子は現在のDNAゲノムのように末端同士で連結されているのではなく、別々のRNAセグメントに対応していたと提唱した。半数体(各RNA遺伝子のコピーが1つ)の原始細胞は損傷を受けやすく、RNAセグメントの1つの損傷でも原始細胞にとって致命的となる可能性がある(例えば、複製を阻害したり、必須遺伝子の機能を阻害したりすることによって)。
各プロトセルに各RNAセグメントのコピーを2つ以上保持する、すなわち二倍体または多倍体を維持することで、損傷に対する脆弱性を低減できる可能性がある。ゲノムの冗長性により、損傷したRNAセグメントは相同遺伝子の追加複製によって置き換えられる。しかし、このような単純な生物では、利用可能な資源のうち遺伝物質に費やされる割合は、総資源予算のかなりの部分を占めることになる。資源が限られた条件下では、プロトセルの増殖率は倍数性と反比例する可能性が高い。プロトセルの適応度は、冗長性のコストによって低下する。したがって、損傷したRNA遺伝子に対処しつつ冗長性のコストを最小限に抑えることは、初期のプロトセルにとって根本的な問題であったと考えられる。
冗長性を維持するコストとゲノム損傷のコストを比較する費用便益分析が行われた。[ 104 ] この分析により、幅広い状況下では、各プロトセルが半数体であるが、周期的に別の半数体プロトセルと融合して一時的な二倍体を形成する戦略が選択されるという結論に至った。半数体状態を維持することで成長速度が最大化される。周期的な融合により、そうでなければ致命的に損傷したプロトセルの相互再活性化が可能になる。一時的な二倍体に各RNA遺伝子の損傷のないコピーが少なくとも1つ存在すれば、生存可能な子孫を形成できる。生存可能な娘細胞が1つではなく2つ生成されるためには、融合したプロトセルの分裂前に損傷したRNA遺伝子と相同な無傷のRNA遺伝子の追加複製が必要となる。半数体生殖のサイクルは、一時的な二倍体状態への融合とそれに続く半数体状態への分裂を伴い、最も原始的な形態の性的サイクルとみなすことができる。[ 104 ] [ 105 ] この性的サイクルがない場合、必須RNA遺伝子に損傷を受けた半数体プロトセルは単に死滅する。
この初期性周期のモデルは仮説的なものですが、既知の最も単純な生物の一つである分節型RNAウイルスの既知の性行動と非常によく似ています。8つの物理的に分離された一本鎖RNAセグメントからなるゲノムを持つインフルエンザウイルス [ 106 ] は、このタイプのウイルスの例です。分節型RNAウイルスでは、宿主細胞が少なくとも2つのウイルス粒子に感染すると「交配」が起こります。これらのウイルスがそれぞれ致命的な損傷を受けたRNAセグメントを含んでいる場合、感染した細胞内に各ウイルス遺伝子の少なくとも1つの損傷を受けていないコピーが存在する限り、多重感染によって再活性化が起こる可能性があります。この現象は「多重再活性化」として知られています。多重再活性化は、紫外線 照射 [ 107 ]や電離放射線 [ 108 ] によるRNA損傷の誘導後のインフルエンザウイルス感染で起こることが報告されています。
影響 RNAワールド仮説が真実であれば、生命の定義 と生命の起源 に重要な意味を持つ。 1953年にフランクリン 、ワトソン 、クリック がDNAの構造を解明して以来、生命は主にDNAとタンパク質によって定義されてきた。DNAとタンパク質は生細胞における主要な高分子であり、RNAはDNAの設計図からタンパク質を作るのを助けるだけの存在と考えられていた。
RNAワールド仮説は、生命の起源においてRNAが中心的な役割を果たしたとしている。RNAワールド仮説は、リボソームがリボザイムであるという観察によって裏付けられている。[ 132 ] [ 133 ] 触媒部位はRNAで構成され、タンパク質は主要な構造的役割を担っておらず、周辺的な機能的重要性しか持たない。これは、2001年にリボソームの3次元構造が解明されたことで確認された。具体的には、アミノ酸を 結合させてタンパク質を作る反応であるペプチド結合形成は、 rRNA 中のアデニン残基によって触媒されることが現在では知られている。
RNAは、他の細胞内触媒プロセス、特に酵素を特定のRNA配列に標的化する役割を担っていることが知られている。真核生物では、プレmRNA の処理とRNA編集は、標的RNAと 小型核リボ核タンパク質(snRNP) のRNA構成要素との塩基対形成によって決定される部位で行われる。このような酵素標的化は、 RNA干渉 (RNAi)による遺伝子ダウンレギュレーションにも関与しており、酵素に結合したガイドRNAが特定のmRNAを選択的に破壊する。同様に、真核生物では、テロメア の維持には、テロメラーゼ リボ核タンパク質酵素の構成要素であるRNAテンプレートの複製が関与している。別の細胞小器官であるボールト にもリボ核タンパク質成分が含まれているが、この小器官の機能はまだ解明されていない。
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