Science丨45个RNA核苷酸核酶重写生命起源故事|rna|基序|核苷酸|核酶|活性|聚合酶

编译丨酶美

“RNA世界”假说长期以来一直受到一个“先有鸡还是先有蛋”困境的困扰，即分子复杂性悖论。为了启动进化过程，前生物化学过程必须产生一种能够自我复制的核酶。然而，过往研究表明功能的复杂性与大小成正比。这些大型催化剂，如“Class I 聚合酶”（通常为150-300个核苷酸）-过于复杂，无法从随机的前生物寡聚体中自发出现，并且在没有现有高保真机制的情况下，其长度也过长而无法被准确复制。因而陷入了一个循环：你需要一台大型机器来建造一台大型机器，但第一台机器出现的概率微乎其微。

近日，Science发表了来自MRC分子生物学实验室的Philipp Holliger/Edoardo Gianni团队的研究：

A small polymerase ribozyme that can synthesize itself and its complementary strand

QT45—— 一种45个核苷酸的聚合酶核酶的发现，最终打破了这一循环。通过证明基本的复制活动可以打包进一个轻量级基序中，研究人员提供了一个连接简单前生物化学与遗传生命出现之间的缺失环节。

复杂性不依赖于规模

几十年来，RNA催化聚合的标杆一直是源自Class I连接酶的核酶，例如5TU聚合酶。这些分子长达150-300个核苷酸，代表了巨大的“合成和保真度负担”。它们远比任何观察到的非生物形成的RNA序列要长，使得它们的自发出现在统计学上几乎不可能。

QT45通过证明“功能复杂性”并非严格与长度挂钩，代表了一种范式转变。通过在仅45个核苷酸内实现迭代的、区域特异性的3′-5′磷酸二酯键形成，QT45调和了RNA世界的竞争性需求。

“这导致了RNA自我复制的看似矛盾的要求，即核酶必须又大又复杂才能编码聚合酶活性，但同样的尺寸和复杂性既阻碍了它们的自我复制，也阻碍了它们的初始出现。”

整体平衡——克服模板障碍

一个自我复制的核酶面临着一个独特的物理危机：它必须同时具备两种状态。为了作为催化剂发挥作用，RNA（+）链必须折叠成稳定的三维结构；然而，为了作为自身复制的模板，它必须保持未折叠状态且可被访问。

QT45通过一种“整体平衡”解决了这个问题，其中RNA群体在折叠态和未折叠态之间转换。这通过"动力学捕获"得以实现：1）协同结合：三核苷三磷酸（三体）底物协同结合到模板上。2）群体转移：这种结合增加了未折叠状态的群体，有效地将RNA“捕获”在适合模板的构象中，而不会永久性地破坏活性催化剂的库。3）避免死胡同：这种机制有助于防止形成“热力学高度 favored 的（+）（-）链双链体”，一种通常会终止复制的非活性双链产物。

聚合酶活性在序列空间中很“丰富”

也许最令人惊讶的发现是，聚合酶基序并非我们曾经假设的那种"七百万亿分之一"的稀有物。在一个仅有 1.2×1013条序列的随机库中，研究人员识别出了三个不同的、不相关的基序：1）基序 1-30；2）基序 2-30；3）基序 1-40（QT45的前身）。

虽然 1013 听起来很大，但它仅代表40个核苷酸序列空间中 1.2×1024 种可能组合的微小部分。在如此有限的样本中发现三个独特的基序表明，聚合所需的“表型要求”出乎意料地普遍。

据此作者估计：基于适应度 landscapes 映射中核心残基同一性的分析，估计QT核酶折叠结构在随机序列池中的丰度为1.2×10-17。

共晶冰和三体的环境助力

研究人员利用了特定的前生物条件来最大化QT45的潜力。通过在弱碱性共晶冰中工作，他们稳定了核酶——将其半衰期延长至约117天，而像R18这样的大型模型只有16天。研究人员同时将底物浓缩到液体口袋中。

使用三核苷三磷酸（三体）相比单核苷酸提供了几个关键优势：1）结构化模板：三体允许复制结构化RNA，如茎环结构，而这通常会阻碍其他聚合酶。2）链抑制：三体抑制“链复性”，有助于保持（+）和（-）链分离。3）卓越保真度：QT45在合成其互补（-）链时，显示出每核苷酸94.1%的保真度。即使在挑战合成一个复杂的33nt锤头状核酶（seq0-HH）时，它仍保持了92.6%的保真度，在特定测定条件下优于进化程度更高的5TU。

功能致密的核心与重组的作用

通过适应度图景分析，研究人员绘制了QT45的突变敏感性图谱，并将其与较大的5TU进行了比较。结果揭示了一个显著“更陡峭”的图景：1）突变敏感性：QT45突变的适应度变化范围在-11.0到1.6之间，而5TU突变的严重程度较低（-4.6到1.6）。2）功能密度：由于QT45非常小，它缺乏“填充”序列；几乎每个核苷酸都是对活性至关重要的“核心功能残基”。3）重组加速器：有趣的是，研究人员注意到通过非酶促转酯反应形成的全长产物背景水平很低。虽然对于纯粹的催化分析来说这是一个"不便的副反应"，但资深科学家认识到这种重组是一个至关重要的进化工具。它充当了抵御“Muller’s ratchet”（即小种群中有害突变的必然积累）的防御机制。

总结

RNA世界的黄金标准是"闭合循环"——一个单一催化剂合成其互补（-）链，然后再合成一条新的自身（+）链。QT45完成了这一壮举，在72天内以约0.2%的产率产生了两条链。虽然这些反应仍然缓慢，但这一里程碑是毋庸置疑的。

通过利用RNA整体平衡和三体相互作用的涌现特性，QT45提供了第一个具体证据，表明一个小的、非生物的分子能够处理遗传的重任。结合最近对有利于RNA复制的物理化学条件的理解，这为走向RNA催化RNA自我复制的迭代循环指明了一条可行之路。

当我们展望未来时，QT45的成功向该领域提出了一个挑战：我们是否一直在错误的大小类别中寻找生命的起源？也许通向复杂性的道路并非始于大型、复杂的机器，而是始于更可能从早期地球混沌化学中出现的"更小、更致密"的基序。