RNA-cząsteczka magiczna

relikty „świata RNA”

Riborgis eigensis

Magia i mantyki

Magia i mantyki

• Tożsamość znaku z jego treścią

• Jedna z pierwotnych funkcji języka

• Próba „narzucenia” rzeczywistości, do której odnosi się

system semiotyczny, żądanych własności poprzez wpływ

na znak, który odnosi nas do tej domeny rzeczywistości.

• Pozostała w postaci eufemizmów, np. „niedźwiedź”

(Ursus)

• „To, co nieznane, jest dzięki kodowi upodobnione do

tego, co znane, a co za pośrednictwem kodu użycza

tamtemu swojej struktury, a zatem także swojego sensu”
P. Guiraud

Magia i mantyki

Imiona własne…

RNA World

• rybozymy jako cząsteczki magiczne – niosące treść,

która może być przepisana w drodze replikacji RNA,

jednocześnie wykonujące funkcje katalityczne i

sprawujące metabolizm.

Będące jednocześnie

protogenami i pierwotnymi cechami

fenotypowymi

• W początkach życia na Ziemi procesy życiowe

oparte były prawie wyłącznie na katalitycznych i

informacyjnych własnościach RNA (+ jony metali,

aminokwasy, oligopeptydy).

• Riborgis eigensis – ostatni TAKI organizm

• W trakcie ewolucji większość funkcji metabolicznych

RNA przejęły białka

• LUCA – Last Universal Common Ancestor of all the

organisms

• D.C. Jeffares, A.M. Poole & D. Penny (1998) „Relics

from the RNA World”, J Molec Evol, 46: 18-36

•

Założenia i tezy

1.

Pierwotna tożsamość genotypu i fenotypu

2.

RNA world istniał, RNA-organizmy były

bezpośrednimi przodkami organizmów zdolnych do

przeprowadzania translacji (szereg „skamieniałości

molekularnych”)

3.

Ewolucja doprowadziła do przejęcia przez białka

większości metabolicznych funkcji RNA. Po

powstaniu translacji RNA nie nabyło już żadnych

zasadniczych nowych funkcji w metabolizmie

RNA->RNP->Protein

4.

„Zamrożony przypadek” – konsekwencja ewolucji,

która przebiegała w postaci „łatania” („tinkering”) –

Informacja genetyczna ma sens, bo zaistniała, a nie

dlatego, że jest najlepsza z możliwych (N

ν

>>N).

Wiele funkcji RNA pozostało w obecnych

organizmach, są to zwykle funkcje „centralne” w

metabolizmie. Białka „ulepszają” te funkcje i

stopniowo je zastępują („tinkering”), ale proces ten

przebiega tym wolniej, im wiecej procesów

metabolicznych zależy od danego procesu

katalizowanego pierwotnie przez RNA.

RNA World

4. Kryteria wykrywania reliktowych RNA:

a) Funkcja katalityczna: takie katalityczne

RNA nie mogą być nową zdobyczą
ewolucyjną, bo białka są lepsze. Funkcje
językowe RNA są porównywalne a
czasem nawet lepsze niż DNA, czy białek.

b) Powszechność występowania –

molekularne skamieniałości raczej nie
mogą powstawać niezależnie w różnych
grupach organizmów.

c) Centralna pozycja w metabolizmie

(trudno zastąpić)

RNA World

5. Ciągłość funkcji w kontekście

mechanizmów ewolucji przez
„łatanie” mogła doprowadzić do
zmian pierwotnych funkcji
niektórych cząsteczek RNA

6. Limit Eigena – białka przejęły

funkcję RNA jako konieczny skutek
ciągłego doskonalenia wierności
replikacji i zwiększania genomu w
ewolucji.

RNA World

• metabolizm oparty na RNA

RNA World

Wolne reakcje

Obecnie ograniczony do dużych substratów

RNA World

RNA World

WSPÓŁCZESNA KOMÓRKA

WSPÓŁCZESNY ŚWIAT ŻYWY

RNA World

•Funkcja pra-rybosomu – replikacja
(„transkrypcja”) RNA!

•konsekwencja niskiego progu
błędów Eigena

•rozdział na cząsteczki
informacyjne i katalityczne RNA
musiał nastąpić już w świecie RNA

•informacyjne RNA - dwuniciowe

W pierwotnych rybozymach
oligopeptydy, bądź aminokwasy mogły
pełnić funkcje koenzymów, obecnie taka
funkcje pełnią RYBOnukleotydy w
białkach (RNARNPP)

Inne interesujące skamieniałości molekularne świata

RNA:

• Snorposomowe RNA (small nucleolar RNA) –

zakodowane często w intronach, często białek

rybosomalnych – tworząc zrąb rybosomów i

uczestnicząc w procesach „dojrzewania” tych

organelli. U bakterii – tylko białkowe processosomy.

• tRNA – główne rybozymy świata RNA, koenzymami

były aminokwasy, RNA-aza P (M1)

• telomeraza – może działać jak replikaza RNA,

zawiera motyw ARS II (pra-telomery miały

strukturę tRNA) – wydłużanie telomerów

wyewoluowało z procesów replikacji genomu RNA –

primer-dependent, template independent terminal

transferase (podobnie do CCA-azy)

• Rybonukleotydy jako koenzymy w procesach

dostarczających energii

RNA World

RNA World

Edycja aa~tRNA

RNA World

Znane funkcje rybozymów:

hydroliza i ligacja RNA i DNA

fosforylacja polinukleotydów

aminoacylowanie RNA

synteza w. peptydowego

reakcja Dielsa-Aldera

metylacja porfiryn

RNA – pierwotne genomy

problemy z progiem błędów

Eigena

q - wierność

ν

max

EARTH

σ

m

=f

m

/(d

m

+Ē

-m

)

„superiority”

σ

m

=10

6

RNA – pierwotne genomy

Jeżeli reaktor ewolucyjny jest oddzielony
od środowiska i od innych reaktorów tak
że genomy i katalizatory nie mogą się
mieszać, wówczas w ciągu kilku milionów
pokoleń obserwujemy wzrost dokładności
replikacji (fidelity), i jej wydajności
(superiority) przy wzroście długości
genomów.

Inne zdobycze ewolucyjne Riborgis eigensis
• kompartmentacja i błona komórkowa
• podział komórki
• rekombinacje
• zdolność do dalszej ewolucji na zasadzie

duplikacji genów

• nukleacja informacji genetycznej: rozdział

cząsteczek informacyjnych i metabolicznych,

rozdział replikacji i transkrypcji, choć początkowo

mechanizm ten sam, powstanie dsRNA-genomu =

= rozdział genotypu i fenotypu

RNA World

Genom Riborgis eigensis

około 10-30 kb
główny problem – próg błędów Eigena,

którego istnienie wymusiło:

1. dwuniciowość genomu RNA (dsRNA) –

fragmenty o strukturze tRNA -
promotory

2. rozdział replikacji i transkrypcji
3. wycięcie tRNA „rybozymogenów” po

replikacji/transkrypcji – kaskada
aktywacji, metabolizm oparty głównie
na tych cząsteczkach RNA

4. kooperacja „rybogenów” w obrębie

hipercykli (wolniejsza replikacja, ale
znacznie większa wierność – wejście we
„ fazę wznoszącą” (n(q))

5. poliploidyzacja do 200n – redundancja

jako zabezpieczenie (i – podział komórki
jako konsekwencja)

6. system segregacji chromosomalnej
7. szereg mechanizmów rekombinacji

geny podzielone
wiele miejsc inicjacji replikacji

R.e.->LUCA->eukaryote-like
genome ->prokaryote –like
genome

RNA->RNP->P->DNA

3.

Białkowo-nukleinowe (nukleinowo-

nukleinowe) hipercykle

•

Pomimo krótkich łańcuchów

pojemność informacyjna systemu jest

duża (genom podzielony). Korzyść z

mutacji w kwasach nukleinowych przy

zabezpieczeniu przed katastrofą

błędową

•

Korzyść z odgałęzień ogniskujących

funkcje „ogólne” (kompartmentacja

procesów replikacji, oddychania,

syntezy etc.)

•

selekcja nieliniowa – drobna zmiana

może skokowo zwiekszyć tempo

replikacji hipercyklu

•

Pod warunkiem, że hipercykl zostanie

zamknięty – odgrodzony od innych

hipercykli, tylko wtedy odgałęzienia

nie będą zwiększały tempa reprodukcji

konkurencyjnych hipercykli

•

(czyż to nie przypomina już na tym

etapie organizacji genomu

eukariotycznego?)

Teoria Eigena

Nukleotydy są od razu
aktywowane, bo same są
przenośnikami energii. W
„pierwotnej zupie” tworzą
się spontanicznie…
Wniosek – układ będzie
ewoluował w kierunku
tworzenia nukleotydów i
ufosforylowanych
cząsteczek!

Genom Riborgis eigensis

<=>

• Przykłady:

Deoksyrybozymy

• Przykłady (tworzenie „czapeczki” 5’):

Deoksyrybozymy

• Przykłady:

Deoksyrybozymy

• Zastosowania w medycynie, biotechnologii i do badania struktury RNA:

Deoksyrybozymy

Deoksyrybozymy
uzyskuje się in vitro
metodą
przyśpieszonej
ewolucji kwasów
nukleinowych.

Czy podobne procesy
mogły (mogą)
zachodzić w
przyrodzie???

Literatura

1.

G.F. Joyce, L.E. Orgel (1993) „Prospects of Understanding

the Origin of the RNA World”. In „The RNA World” RF

Gestland, JF Atkins (eds), New York: Cold Spring Harbor

Laboratory Press, 1-25

2.

D.C. Jeffares, A.M. Poole & D. Penny (1998) „Relics from

the RNA World”, J Molec Evol, 46: 18-36

3.

G.F. Joyce (2002) „Booting up life”, Nature, 410:278-9

4.

P. Szabó,I. Scheuring, T. Czárán, E. Szathmáry (2002) „In

silico simulations reveal that replicators with limited

dispersal evolve towards higher efficiency and fidelity”,

Nature, 420:340-3.

5.

L. Levinger, M. Mörl, C. Florentz (2004) „Mitochondrial

tRNA 30 end metabolism and human disease”, Nucleic

Acids Research, Vol. 32; doi:10.1093/nar/gkh884

6.

J.M. Smith, E. Szathmáry (2000) „Tajemnice przełomów

w ewolucji”, PWN Warszawa

7.

B. Nawrot (2002) „Katalityczne DNA – deoksyrybozymy”,

Post. Biochem. 48(1): 20--33

Pytanie na kolejny wykład

Co było pierwsze (DNA/RNA,

intron/egzon,

Pro-/Eucaryota…)?