Świat RNA

Hipoteza świata RNA sugeruje, że życie na Ziemi zaczęło się od prostej cząsteczki RNA, która mogła się sama replikować bez pomocy innych cząsteczek.

DNA, RNA i białka mają kluczowe znaczenie dla życia na Ziemi. DNA przechowuje instrukcje budowy żywych istot - od bakterii po trzmiele. A białka napędzają reakcje chemiczne potrzebne do utrzymania życia i zdrowia komórek. Do niedawna RNA uważano za niewiele więcej niż przekaźnik między DNA a białkami, niosący instrukcje w postaci informacyjnego RNA (mRNA) do budowy białek. Jednak RNA może znacznie więcej. Może napędzać reakcje chemiczne, podobnie jak białka, i przenosi informacje genetyczne, takie jak DNA. A ponieważ RNA może pełnić obie te funkcje, większość naukowców uważa, że życie takie, jakie znamy, zaczęło się w świecie RNA, bez DNA i białek.

Jak więc RNA ewoluowało na Ziemi? Naukowcy uważają, że bloki budulcowe RNA (nukleotydy) pojawiły się w chaotycznej zupie molekuł na wczesnej Ziemi. Te nukleotydy połączyły się ze sobą, tworząc pierwsze RNA. Ledwie powstały, zepsuły się; jednak w ich miejsce powstały nowe. Niektóre RNA okazały się bardziej stabilne niż inne. Te nici RNA wydłużały się i szybciej wiązały nukleotydy. Ostatecznie nici RNA rosły szybciej, niż się rozpadały. To była szansa RNA na rozpoczęcie życia.

Wszystkie żywe stworzenia rozmnażają się. Kopiują swoją informację genetyczną i przekazują ją swojemu potomstwu. Aby RNA rozpoczęły krąg życia, musiały się również rozmnażać. Dlatego też naukowcy uważają, że świat RNA rozpoczął się, gdy pojawił się RNA, który mógł tworzyć kopie samego siebie. Kiedy to się stało, pojawiły się nowe samokopiujące się RNA. Niektóre cząsteczki były lepsze w kopiowaniu siebie niż inne. Cząsteczki RNA rywalizowały ze sobą, a ta, która odniosła największy sukces, wygrywała. Przez miliony lat te RNA namnażały się i ewoluowały, tworząc szereg "maszyn" RNA. Na pewnym etapie ewoluowały DNA i białka. Białka zaczęły uruchamiać reakcje chemiczne w komórkach, a DNA - które jest bardziej stabilne niż RNA - przejęło zadanie przechowywania informacji genetycznej.

Zapewnienie wystarczającej ilości bloków budulcowych RNA (nukleotydów) było najwyższym priorytetem w świecie RNA. Naukowcy uważają, że RNA budujące nukleotydy wyewoluowały na wczesnej Ziemi, aby zapewnić nukleotydy do budowy nowych RNA.

Zgodnie z teorią świata RNA, pierwsze cząsteczki RNA powstały ze swobodnie pływających nukleotydów, które pojawiły się w pierwotnej zupie cząsteczek. Nukleotydy połączyły się ze sobą, tworząc nici RNA, które nie były zbyt stabilne i szybko ulegały degradacji. Ale niektóre z nich były bardziej stabilne niż inne; te RNA rosły dłużej i szybciej wiązały nukleotydy. W końcu, nici RNA rosły szybciej, niż się rozpadały - a to był kamień milowy. Przez miliony lat te RNA namnażały się i ewoluowały, tworząc szereg "maszyn" RNA, które są podstawą życia, jakie znamy dzisiaj. Aby jednak cząsteczki RNA mogły się powstawać, potrzebowały dużej ilości nukleotydów. Naukowcy uważają, że RNA budujące nukleotydy wyewoluowały, by dostarczyć tych bloków budulcowych RNA.

Naukowcom, próbującym odtworzyć w probówce warunki panujące na wczesnej Ziemi, udało się otrzymać szereg cząsteczek RNA, które mogą uczestniczyć w reakcjach chemicznych mających na celu wytworzenie niektórych części nukleotydu. Dowodzi to, że RNA może napędzać reakcje chemiczne syntezy nukleotydów. Jednak naukowcy nie stworzyli jeszcze cząsteczki RNA, która mogłaby tworzyć całe nukleotydy przy użyciu składników, które byłyby dostępne na wczesnej Ziemi.

Naukowcy uważają, że w świecie RNA proste cząsteczki RNA chwytały inne RNA lub cząsteczki, tworząc kompleksy, które mogły zmieniać lub wzmacniać ich funkcję. To był krok w kierunku bardziej złożonego życia.

Rybosomy, które są maszynami do składania białek w komórce, są zbudowane z rybosomalnego RNA (rRNA) i białek. Ale rRNA w rybosomie ewoluowały na długo przed białkami rybosomalnymi. Wracając do świata RNA: było możliwe, że jeden RNA chwycił się innego RNA, aby utworzyć maszynę RNA, która - po raz pierwszy w historii - łączyła ze sobą aminokwasy, tworząc białko. W ten sposób pojawiła się pierwsza wersja rybosomu.

Niektóre informacyjne RNA (mRNA) w bakteriach i niektórych roślinach zawierają fragment kodu zwany ryboprzełącznikiem, który może chwytać określoną cząsteczkę. Wiązanie tej cząsteczki definiuje, czy mRNA ulega translacji w celu wytworzenia białka. Cząsteczka może być składnikiem odżywczym, który wiąże się z ryboprzełącznikiem mRNA i wyzwala translację mRNA w celu wytworzenia białka, które rozkłada ten składnik odżywczy. Zatem mRNA zawierające ryboprzełączniki mogą regulować się samemu w odpowiedzi na określone cząsteczki. Wcześniej sądzono, że tylko białka regulują produkcję białka z mRNA; jednak ryboprzełączniki wskazują na system regulacji, który mógł istnieć w świecie RNA na długo przed pojawieniem się białek.

Nasze komórki zawierają "maszynę" kierującą białkami, zbudowaną z RNA i białek, która wysyła nowo utworzone białka tam, gdzie są potrzebne w komórce. Ta "maszyna" nazywana jest cząstką rozpoznającą sygnał (SRP).

SRP poszukuje białek wytwarzanych przez maszynę do składania białek w komórce (rybosom). Kiedy zauważy początek białka wystającego z rybosomu, wiąże się z nim. Rybosom zatrzymuje produkcję białka, podczas gdy SRP przenosi rybosom i częściowo zbudowane białko tam, gdzie jest potrzebne w komórce. Po dotarciu na miejsce SRP zostaje uwolniony a synteza białek ponownie jest realizowana.

RNA w SRP znajduje się we wszystkich żywych organizmach, co sugeruje, że ewoluował w bardzo wczesnych formach życia. Kiedy białka po raz pierwszy pojawiły się na Ziemi, wczesna wersja tego kierującego białkiem RNA mogła pomóc w organizacji białek w komórce. SRP mogła wzmocnić pierwotne komórki, kierując białka do utworzenia cytoszkieletu. Cytoszkielet pomaga komórce zachować jej kształt i jest dodatkowo jak "system autostradowy" do transportu cząsteczek w obrębie komórki.

Jeden informacyjny RNA (mRNA) może ulec obróbce (splicingowi) na różne sposoby, w związku z czym jego kod genetyczny może ulec translacji, w wyniku której powstanie wiele różnych białek. Zdolność wytwarzania więcej niż jednego białka z jednego mRNA przyspieszyła ewolucję życia wielokomórkowego.

Nowo wytworzone mRNA jest składane przez molekularną maszynę zwaną spliceosomem, która działa jak nożyczki i klej w komórce. Zbudowana z RNA i białek maszyna odcina niechciane sekcje kodu mRNA i skleja pozostałe mRNA z powrotem, tworząc dojrzałe mRNA, które można poddać translacji, w wyniku czego powstanie białko.

W latach siedemdziesiątych naukowcy sądzili, że jeden gen koduje jedno mRNA, które z kolei koduje jedno białko. Dotyczy to głównie bakterii i innych organizmów jednokomórkowych; jednak w przypadku życia wielokomórkowego jeden gen koduje jedno mRNA, które można składać na różne sposoby, tworząc wiele różnych białek. Nazywa się to splicingiem alternatywnym.

Alternatywny splicing to genialny sposób tworzenia różnorodnych białek ze stosunkowo niewielkiej liczby genów. Jedną z niespodzianek projektu Human Genome Project było to, że ludzki genom koduje tak niewiele genów. Naukowcy przewidywali, że będzie około 100 000 ludzkich genów, ale liczba ta jest bliższa 20 000. Geny te są składane na różne sposoby, tworząc ogromną liczbę ludzkich białek.

Pojawienie się alternatywnego splicingu w wielokomórkowych formach życia prawdopodobnie przyspieszyło ewolucję. Oznaczało to, że organizm mógł tworzyć nowe białka bez przechodzenia przez długi proces ewolucji nowych genów. Dodatkowo mogłyby pojawić się przypadkowe mutacje, które spowodowałyby składanie istniejących mRNA na różne inne sposoby. mRNA powstałe w wyniku alternatywnego splicingu kodowały zupełnie nowe białka, które mogły napędzać zupełnie nowe procesy komórkowe, napędzając ewolucję złożonego życia.

Maszyny RNA miały prawdopodobnie kluczowe znaczenie dla ewolucyjnego przejścia od jednokomórkowych do wielokomórkowych form życia.

Życie wielokomórkowe zaczyna się od jednej zapłodnionej komórki jajowej. Ta komórka dzieli się na dwie komórki, które dzielą się ponownie… i tak to się dzieje. Wkrótce komórki w tej rozwijającej się formie życia zaczynają wykonywać różne zadania. W roślinie mogą stać się komórkami liści lub komórkami korzeni. U zwierząt mogą stać się komórkami krwi lub komórkami nerwowymi. U człowieka jest około 200 różnych typów komórek i ważne jest, aby każda z nich została wytworzona we właściwym miejscu i we właściwym czasie w ludzkim embrionie. To, czym komórka się staje, zależy od tego, jakie maszyny molekularne - RNA i białka - działają w tej komórce. Te RNA i białka, które są obecne w komórce, są określane przez czynniki transkrypcyjne, które włączają i wyłączają geny.

Badając, jak zarodki rozwijają się obecnie w organizmach, otrzymujemy dodatkowe informacje na temat molekularnych maszyn, które mogły napędzić skok do życia wielokomórkowego. Ulubionym stworzeniem biologów zajmujących się badaniem rozwoju jest muszka owocowa. A ważny RNA w rozwoju muszek owocowych nazywany jest bicoidem. Odgrywa istotną rolę w organizowaniu budowy ciała rozwijającej się muszki owocówki. W niezapłodnionym jaju muszki owocówki bicoid RNA znajduje się na końcu jaja, które stanie się głową muchy. Po zapłodnieniu jaja bicoid mRNA ulega translacji, tworząc białko. Białko bicoid aktywuje geny, które kodują białka tworzące głowę, i wyłącza geny, które kodują białka tworzące ogon. Zatem bicoid mówi dokładnie zarodkom muszki owocówki, gdzie stworzyć głowę.