RNA隐藏的潜力：新的研究揭示了它在早期生命和未来生物工程中的作用

生命的起源仍然是一个有争议的问题。核糖核酸(RNA)世界假说提出，储存遗传信息并具有催化功能的“核酶”可能支持早期生命形式的活动。现在，来自日本的研究人员探索了RNA伸长是如何变构调节的，揭示了它对早期生命过程的影响，并为各种现代应用的任意RNA纳米结构的制造提供了见解。

　　

地球上生命的起源及其数十亿年的进化一直吸引着全世界的研究人员。遗传信息从脱氧核糖核酸(DNA)模板到核糖核酸(RNA)转录物，并最终进入功能蛋白的中心规律或定向流动是细胞结构和功能的基础。DNA是细胞的蓝图，携带合成功能性蛋白质所需的遗传信息。相反，蛋白质是DNA合成所必需的。因此，究竟是DNA先出现，还是蛋白质先出现，仍然是一个有争议的问题。

这种分子版的“先有鸡还是先有蛋”的问题引出了“RNA世界”的命题。RNA以“核酶”或RNA酶的形式携带着与DNA相似的遗传信息，也像蛋白质一样具有催化功能。核酶的发现进一步支持了RNA世界假说，即RNA具有“遗传信息存储”和“催化”的双重功能，仅通过RNA促进原始生命活动。虽然现代核糖体是RNA和蛋白质的复合体，但在早期进化阶段，核酶可能是通过单个功能RNA单位的组装拼凑在一起的。

为了验证这一假设，田村浩二教授和他在东京科学大学生物科学与技术系的研究小组进行了一系列实验，以解码功能性核酶的组装。为此，他们设计了一种人工核酶R3C连接酶，以研究单个RNA单元如何结合在一起形成功能结构。Tamura教授进一步阐述了他们于2024年4月17日发表在《Life》杂志上的研究成果，他说:“R3C连接酶是一种核酶，可催化两个RNA分子之间形成3 '，5 ' -磷酸二酯连锁。我们通过添加可以与各种效应器相互作用的特定域来修改结构。”

核糖体是蛋白质合成的场所，在核糖体中，RNA单元聚集在一起，作为肽基转移酶中心(PTC)的功能，从而形成一个支架，用于招募附着在tRNAs上的氨基酸(肽/蛋白质的单个成分)(《自然》杂志(https://www.nature.com/articles/d41586-023-00574-4)有专题报道)。这是对蛋白质合成系统进化史的一个重要见解，但这还不足以追踪基于RNA世界假说的进化途径。

为了探索通过将单个RNA单元连接在一起而实现的RNA伸长是否受到变构调节，研究人员改变了R3C连接酶的结构。他们将结合三磷酸腺苷(ATP)的短RNA序列(ATP是细胞中重要的能量载体分子)整合到核酶中。研究小组指出，R3C连接酶的活性依赖于ATP的浓度，ATP浓度越高，R3C连接酶的活性越高。此外，熔融温度(Tm值)的升高表明ATP与R3C连接酶的结合稳定了结构，这可能影响了其连接酶的活性。

同样，在将l -组氨酸结合RNA序列融合到核酶上时，他们注意到随着组氨酸(一种关键氨基酸)浓度的增加，连接酶的活性也会增加。值得注意的是，活性的增加与ATP或组氨酸浓度的增加有关;没有观察到对其他三磷酸核苷酸或氨基酸的反应。这些发现表明，ATP和组氨酸作为效应分子触发核酶的结构构象变化，进而影响酶的稳定性和活性。

ATP是细胞的中心能量载体，支持许多分子过程，而组氨酸是酶活性位点中最常见的氨基酸，并维持其酸碱化学。鉴于ATP和组氨酸在RNA相互作用和分子功能中的重要作用，这些结果为RNA在早期进化中的作用提供了新的见解，包括遗传密码的起源。此外，本研究中开发的工程核酶在包括靶向药物递送、治疗、纳米生物传感器、酶工程和在各种工业过程中使用的新型酶的合成等无数应用中具有重要的前景。

总的来说，这项研究可以深入了解从RNA世界到现代“DNA/蛋白质世界”的转变是如何发生的。反过来，对RNA世界的基本理解可以增强它们在现实生活中的应用。

“这项研究将有助于阐明RNA进化中‘基于变构性的功能获得和协同性’的过程。在这项研究中应用的RNA-RNA相互作用、RNA-氨基酸相互作用和变构性可以指导任意RNA纳米结构的制造，具有各种应用，”作者总结道。