Det har længe været et åbent spørgsmål hvordan livets komplicerede molekylære maskineri opstod ud fra et simpelt udgangspunkt. Flere indicier peger i retning af, at dette skete i en ur-gammel "RNA-verden", hvori der opstod en "RNA-kopimaskine" - et såkaldt RNA-polymerase-ribozym - som begyndte at lave kopier af sig selv og andre RNA-molekyler og derigennem kickstartede evolutionen og selve livet. Problemet er bare at den oprindelige kopimaskine er forsvundet, sandsynligvis udkonkurreret af de mere effektive protein-maskiner der findes i moderne livsformer. Derfor har forskere måttet undersøge teorien om RNA-verdenen ved at genskabe en analog til RNA-kopimaskinen i laboratoriet. Disse forsøg har frembragt en molekylær "genganger" af den gamle kopimaskine, der er i stand til at kopiere RNA, men dennes virkningsmåde og detaljerede molekylære form har været ukendt indtil nu.

Struktur af en iselskende RNA-kopimaskine

I en forskningsartikel offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift PNAS rapporterer et team af forskere nu den første atomstruktur af en RNA-kopimaskine der er tilvejebragt ved hjælp af cryo-EM, en form for elektronmikroskopi der sker under kryogene betingelser. RNA-kopimaskinen blev oprindeligt udviklet i laboratoriet hos forskningsleder Philipp Holliger (MRC-LMB Cambridge, UK) og er stand til at kopiere lange RNA-molekyler. Dette sker i en så kaldt ”eutektiske isfase” (svarende til det vand der ligger mellem isklumperne i en slush-ice) hvori RNA befinder sig særdeles godt. Emil L. Kristoffersen, der er adjunkt ved Aarhus Universitet, bragte efter sit forskningsophold i laboratoriet hos Holliger RNA-kopimaskinen til Danmark og faciliterede et samarbejde med Ebbe S. Andersens forskningsgruppe (Aarhus Universitet, Danmark) for at bestemme strukturen. Interessant nok viser strukturen slående ligheder med naturlige proteinbaserede polymeraser og har molekylære domæner, der er arrangeret i en molekylær form, der ligner en åben hånd.

"Det var overraskende at opdage, at en RNA-kopimaskine, som vi udviklede kunstigt i laboratoriet, ville dele træk med naturligt forekommende protein-polymeraser. Dette indikerer, at evolutionen kan opdage konvergerende molekylære løsninger til ens problemer, uanset om materialet er RNA eller protein", forklarer Philipp Holliger, programleder hos MRC-LMB Cambridge, UK.

Model for RNA-syntese i en RNA-verden

For bedre at forstå, hvordan RNA-kopimaskinen fungerer, lavede forskerne en omfattende mutationsundersøgelse der skulle fremhæve de afgørende elementer i RNA-strukturen. Denne analyse bekræftede træk ved RNA-kopimaskinens katalytiske funktionscenter – RNA-molekylets motor - men afslørede også vigtigheden af to såkaldte kissing-loop-interaktioner, som binder maskinens underenheder sammen, samt betydningen af et specifikt RNA-domæne, der er vigtigt for hvor nøjagtigt kopimaskinen kopierer RNA-strenge. På trods af at maskinen ikke kunne strukturbestemmes ”in action" (mens den aktivt kopierede RNA), kunne forskerne, støttet af disse og andre eksperimentelle data, alligevel bygge en model for hvordan selve kopieringsprocessen foregår.

"Cryo-EM er en kraftfuld metode til at studere RNA-molekylers struktur og dynamiske egenskaber. Ved at kombinere cryo-EM-data med eksperimenter var vi i stand til at bygge en model af denne komplekse RNA-maskines indre funktioner”, fortæller Ewan McRae, der udførte cryo-EM-arbejdet som postdoc i Andersen-laboratoriet ved Aarhus Universitet, men nu har startet sin egen forskningsgruppe ved Houston Methodist Research Institute, Texas, USA.

Inspiration til RNA-nanoteknologi og medicin

Disse nye forskningsresultater giver et spændende første glimt af hvordan en RNA-kopimaskine, der menes at have eksisteret ved selve roden af livets træ, kunne have set ud. Imidlertid er disse nyudviklede RNA-kopimaskine ”gengangere” meget ineffektive (sammenlignet med moderne proteinbaserede polymeraser) og kan endnu ikke effektivt opretholde og udvikle sig selv. Roden af livets træ er derfor ikke helt blotlagt endnu. Men den strukturelle indsigt, som undersøgelsen har givet, åbenbarer de problemer og flaskehalse der er forbundet med RNA-verdenen og kan derved hjælpe forskere med at designe mere effektive replikationsmekanismer med det formål på sigt at rekonstruere RNA-verdenen i et reagensglas.

"Egenskaberne af RNA-kopimaskinen kan muligvis forbedres yderligere ved at bruge kemiske modifikationer, der var tilstede i RNA-verdenen. Derudover illustrerer dette studie vældig godt hvordan forskning i livets oprindelse kan føre til opdagelsen af ”RNA-motiver”, der også kan bruges inden for det nye felt RNA-nanoteknologi og medicin", forklarer Ebbe Sloth Andersen, lektor ved Aarhus Universitet.

Yderligere Information

Finansiering:

Forskningen er finansieret af Danmarks Frie Forskningsfond (9040-00425B), Novo Nordisk Fonden (NNF21OC0070452), Canadian Natural Sciences and Engineering Research Council (532417), Carlsbergfondet (CF20-0635, CF17-0809), Lundbeckfonden (R250-2017-1502), Medical Research Council, as part of United Kingdom Research and Innovation (also known as UK Research and Innovation (UKRI)) (MC_U105178804), Volkswagen Foundation (96 755), Herchel Smith studentship (2017), and Marie Curie fellowship (H2020-MSCA-IF-2018-845303).

Link til forskningsartiklen:

Cryo-EM structure and functional landscape of an RNA polymerase ribozyme
Ewan K. S. McRae, Christopher J. K. Wan, Emil L. Kristoffersen, Kalinka Hansen, Edoardo Gianni, Isaac Gallego, Joseph F. Curran, James Attwater, Philipp Holliger, Ebbe S. Andersen
Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) Vol. 121, No. 2 (January 9, 2024) https://doi.org/10.1073/pnas.2313332121

Kontakt:

Ebbe Sloth Andersen
iNANO/Instittut for Molekylærbiologi og Genetik
Aarhus Universitet
E-mail: esa@inano.au.dk - Mobil: +45 41178619

Philipp Holliger
Medical Research Council, Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, UK
E-mail: ph1@mrc-lmb.cam.ac.uk
Telefon: +44 1223 267092