¿Por qué es más probable que el ARN sea el portador de información genética en las primeras etapas de la evolución de la vida y una macromolécula biológica con efectos catalíticos?
Proposición de la hipótesis del mundo del ARN
En respuesta a la paradoja anterior, el debate continuó interminablemente hasta que dos famosos experimentos en la década de 1980 condujeron a una nueva hipótesis.
En 1982, mientras estudiaba Tetrahymena thermophila, el laboratorio de T.R. Cech en el Departamento de Química de la Universidad de Colorado, EE. UU., descubrió que el "ácido ribonucleico precursor (ARNr)" recién transcrito puede catalizar espontáneamente su escisión y Empalme bajo ciertas condiciones. Corta una hebra de nucleótidos y luego une los dos extremos del cabezal de corte para formar una molécula de ARNr madura. Después de esta reacción, se libera una "secuencia de inserción, IVS" que consta de 413 nucleótidos. Este proceso muestra que el ARN tiene la función catalítica de una enzima. La función catalítica es IVS, que es el intrón que se autoempalma en el ARNr. Sin embargo, una vez que se forma el ARN maduro, la actividad catalítica del IVS se pierde, por lo que el intrón que se autoempalma aún no es un verdadero catalizador ni una auténtica enzima. Pero exhibe funciones similares a las de las enzimas, por lo que Cech y otros la llamaron "ribozima".
Además, en 1978, S. Altman de la Universidad de Yale estaba purificando la ribonucleasa P de Escherichia coli (esta enzima es una enzima procesadora de ARNt que existe en bacterias y eucariotas superiores y es un componente del complejo de ARN y proteínas. ), se descubrió que uno de los ARN era necesario para que la célula catalizara la reacción. En 1983, trabajando con N.R. Pace, demostró que en un contexto celular, la nucleasa P requiere tanto ARN como proteína para escindir los precursores de ARNt en sitios específicos. Pero in vitro, las subunidades del ARN por sí solas pueden escindir el ARNt en el sitio correcto, mientras que la proteína no puede. A principios del año siguiente, Altman utilizó una plantilla de ADN recombinante para transcribir la subunidad de ARN de la ribonucleasa para catalizar el precursor del ARNt y descubrió que podía causar mutaciones precisas en este último. Este experimento descarta la posibilidad de contaminación proteica del complejo, demostrando así claramente que la subunidad de ARN tiene una verdadera función catalítica.
Posteriormente se obtuvieron decenas de ribozimas de diferentes organismos, incluidas las de corte y empalme, que pueden catalizar sus propias reacciones así como otras reacciones moleculares. En este momento, se ha confirmado que la ribozima tiene una función catalizadora (enzimática) completa. Cech y Altman también compartieron el Premio Nobel de Química de 1989 por este sensacional descubrimiento.
Dado que el ARN puede servir como portador de información y como catalizador, en otras palabras, puede desempeñar un papel similar al del ADN o una proteína, la gente naturalmente pensaría que el ARN, en lugar del ADN o las proteínas, es el sistema biomolecular y el material genético más antiguos en el origen de la vida. En 1986, W. Gilbert de la Universidad de Harvard, que ganó el Premio Nobel por la invención de la secuenciación de genes, escribió oficialmente un artículo sobre este tema en Nature (319:618), proponiendo por primera vez la teoría del "Mundo del ARN".
El centro de esta teoría es: en los primeros días del origen de la vida, existía un sistema molecular compuesto enteramente por moléculas de ARN. La información del sistema era almacenada por algunas moléculas de ARN con carácter catalítico. las funciones catalizaron la transmisión de la información propia del ARN y la autorreplicación de las moléculas de ARN; debido a que este sistema puede almacenar y copiar información, este sistema puede sobrevivir y evolucionar, finalmente, el almacenamiento de información es reemplazado por moléculas de ADN con una estructura más estable. , y la función catalítica es reemplazada por proteínas con capacidades catalíticas más fuertes, formando así sistemas de vida modernos. Con la verificación de algunos nuevos experimentos y el descubrimiento de nuevos fenómenos, la hipótesis del "Mundo del ARN" todavía tiene una gran influencia en el campo de la biología y se presenta como un hecho confirmado en trabajos generales e incluso en algunos libros de texto de biología molecular.
De hecho, esta idea se remonta a la década de 1960.
En aquel momento, C. Woese de la Universidad de Illinois, L. Orgel del Instituto Salk de California y F. Crick, el biólogo británico que descubrió la estructura de doble hélice del ADN, creían que el ARN era la primera molécula biológica intrínseca. y predijo que el ARN podría tener funciones catalíticas. Su conocimiento se basa en la ubicuidad del ARN en los organismos existentes: sabemos que durante la transcripción y traducción del ADN falta uno de los tres tipos de ARN: el ARN mensajero (ARNm), el ARN ribosómico (ARNr) y el ARN transportador (ARNt). No, la proteína finalmente se sintetiza. Además, el descubrimiento de que el virus existe en forma de ARN y no de ADN también ilustra la plausibilidad y posibilidad de esta idea. Pero como no había evidencia de catálisis de ARN en ese momento, la idea permaneció latente durante muchos años hasta que Cech y Altman la descubrieron y la hicieron pública. Posteriormente, la investigación sobre la multifuncionalidad del ARN se convirtió cada vez más en una plataforma experimental para los biólogos, y el descubrimiento del ARN antisentido y de la tecnología de interferencia del ARN (Premio Nobel de Fisiología y Medicina de 2006) no pudo dejar de beneficiarse de ello.
Experimentos posteriores sobre catálisis de ARN
Con el auge de la investigación sobre ARN, además del trabajo de Cech y Altman mencionado anteriormente, varios otros estudios también son dignos de elogio.
En 1992, el biólogo estadounidense Noller y otros utilizaron altas concentraciones de proteinasa K, un fuerte detergente iónico SDS y fenol para tratar la subunidad grande de E. coli 50S para eliminar varios ribosomas unidos a la proteína 23SrRNA. Los resultados mostraron que el 23SrRNA obtenido todavía tenía actividad peptidil transferasa y podía catalizar la síntesis de cadenas peptídicas. Al mismo tiempo, el laboratorio Cech también descubrió que la formación y rotura de enlaces entre aminoácidos y ARNt sólo estaba catalizada por ARNr. En 1995, M. Illangasekare y otros de la Universidad de Colorado descubrieron que el ARN (ni el ARNr ni el aminoacilo; -enzima de síntesis de ARNt) puede catalizar la transferencia de grupos aminoacilo, y la velocidad de reacción aumentó al menos 105 veces después de la detección. También en 1995, el equipo de Szostak de la Universidad de Harvard descubrió una ribozima que puede participar en la síntesis de enlaces C-N a través de la "evolución in vitro" sistema" (Naturaleza, 374:777). En 1998, el equipo de David Bartel en el MIT descubrió un nucleótido de pirimidina monomérico que puede catalizar la síntesis de ARN (Natuer, 395:223). Su investigación adicional también encontró que la ribozima puede sintetizar un tercer ARN basado en 1 plantilla de ARN. Por lo tanto, el ARN puede sintetizar un tercer ARN basándose en una plantilla de ARN, es decir, el ARN puede copiar ARN y transferir información genética, aunque la longitud del tercer ARN sintetizado es de sólo 14 nucleótidos (Science, 2001, 292: 1319).
Los resultados de la investigación anterior han enriquecido enormemente el contenido químico del ARN y han proporcionado pruebas sólidas para la teoría del mundo del ARN, lo que indica que las actividades tempranas de la vida pueden realizarse principalmente mediante la catálisis del ARN. El "mundo del ARN" es un período muy importante en los primeros años de la vida, en el que es posible que no haya proteínas ni ADN.
Otra explicación del mundo del ARN
Antes mencionamos los virus, comencemos con los virus. El virus es un organismo libre de células con una estructura núcleo-cápside compuesta por una molécula de ácido nucleico (ADN o ARN) y una cubierta proteica. Aunque su posición evolutiva es actualmente controvertida. Sin embargo, lo que ha despertado la atención de la gente es que la existencia de virus con ARN como material genético, especialmente los viroides (compuestos por una sola molécula de ARN infecciosa), también demuestra la especificidad funcional de las moléculas de ARN. ¿Cómo se originó el virus? ¿Qué tiene que ver con el origen de otras especies? Si simplemente hablamos de la evolución de los propios virus, ¿podemos pensar que hay viroides, luego virus de ARN y finalmente virus de ADN? Esta cuestión ha preocupado a los biólogos evolucionistas durante mucho tiempo.
Durante mucho tiempo ha existido la hipótesis de que los virus se originan a partir de células y los genes de los virus se originan a partir de genes celulares. Los virus se forman cuando pequeños fragmentos de genes de una célula escapan del genoma de la célula y quedan envueltos en proteínas. Por supuesto, basándose en la naturaleza huésped de los virus, los científicos tienen razones para creer que los virus son tan simples que no pueden completar diversas actividades vitales sin células.
Sin embargo, el biólogo francés Patrick Forterre, que lleva mucho tiempo investigando los mecanismos de replicación del ADN, no lo cree así. En el estudio de la replicación del ADN, descubrió que la replicasa del ADN y el mecanismo de replicación de los virus son diferentes de los de las bacterias y eucariotas.
Si los virus se originan a partir de células, debería ser similar a la replicación del ADN celular.
Por el contrario, Fortress cree que los virus son el centro de la evolución de las especies y que el ADN de otras especies proviene de virus. Creía que el ARN debería ser el primer portador de información genética y, durante este período, se formaron organismos unicelulares con ARN como genoma (considerado el cuarto organismo no descubierto después de los procariotas, eucariotas y nuevas especies). Debido a la inestabilidad del ARN, el ARN de estas células forma fácilmente pequeños fragmentos, que son envueltos por proteínas para formar el virus original. Estos virus infectan las células y son resistidos por las células, que producen ARN que degrada proteínas para descomponer el ARN extraño. Este es el origen del mecanismo de degradación celular del ARN exógeno (ARNi). Los virus también están evolucionando. Modifican constantemente sus genomas, de monocatenario a bicatenario, y de ARN a ADN, haciéndolos más estables y resistentes a la degradación por parte del huésped. Entonces estos virus viven dentro del huésped. Debido a que el ADN es más estable que el ARN, reemplaza al ARN del huésped como único material genético en la célula. Entonces, el ADN celular proviene del ADN viral y el núcleo celular proviene de virus.
Esta hipótesis ha sido cuestionada por muchas personas. Creen que un sistema vivo tan complejo no podría haber existido antes de la aparición del ADN, por lo que la antecesora de la hipótesis de Patrick Fortress no es válida. Sin embargo, Patrick Fortell dijo que la opinión de estas personas es contraria a la teoría de la evolución de Darwin, porque la evolución es un reflejo del ARN al ADN.
De hecho, desde una perspectiva evolutiva, parece que debería haber primero ARN y luego ADN. Además de las suposiciones mencionadas anteriormente sobre la "paradoja de la gallina ponedora" y el "mundo del ARN", también es cierto desde un punto de vista puramente químico: 1) Las moléculas de ARN son relativamente simples, con una sola hebra, mientras que las moléculas de ADN son muy complejas. , con dos hilos. Según la ley de la evolución, las moléculas simples siempre aparecen primero; 2) En comparación con la desoxirribosa en las moléculas de ADN, la ribosa en las moléculas de ARN tiene un grupo hidroxilo en la posición C2. Las propiedades químicas de la primera son muy activas, lo que hace que la cadena de ARN sea inestable. . Siguiendo la dirección evolutiva de inestable a más estable, apareció primero el ARN.
De hecho, la hipótesis de Fortress es razonable y la tecnología de interferencia de ARN actual es sin duda una excelente prueba de esta hipótesis. Pero hay algunas preguntas: 1) ¿Existe un sistema similar a una célula con ARN como genoma? 2) Esta hipótesis proporciona una fuerza impulsora externa para la transformación del ARN en ADN (para resistir la degradación por parte del huésped). ¿Cuál es su mecanismo intrínseco? En otras palabras, ¿por qué el ARN monocatenario se convirtió en ADN bicatenario? 3)3) ¿Cómo se convierte el ARN en ADN?
No sabemos la respuesta a la primera pregunta. Respecto al segundo punto, por un lado, podemos pensar que la relativa estabilidad de la molécula de ADN mencionada anteriormente hizo que la naturaleza la eligiera y abandonara el ARN. Por otro lado, podemos utilizar los resultados experimentales de Bell et al. Instituto de Investigación de California para explicar. Basándose en experimentos sintéticos, descubrieron que el ARN existe en los organismos modernos en forma parcialmente bicatenaria y que la naturaleza seleccionó la estructura de doble hélice del ARN. Debido a que tiene una alta fuerza de unión y buena flexibilidad, puede desempeñar mejor las responsabilidades de la vida (Science, 1999, 83:699). Una vez que la ribosa en la molécula de ARN es reemplazada por la desoxirribosa más estable, naturalmente evolucionará hacia ADN de doble cadena. Esto está determinado por el mecanismo inherente de la química.
En cuanto a cómo la vida temprana con el ARN como material genético transfirió la capacidad de transportar información genética al ADN actual y transfirió la función catalítica a las proteínas, no ha habido evidencia convincente. Especialmente en términos de función, debido a la dependencia de la disposición en el espacio tridimensional, las funciones no pueden transferirse efectivamente de manera lineal del ADN al ARN, especialmente del ARN al ADN (en algunos virus), a través del apareamiento de bases, lo que resulta en la transferencia. de funciones entre biomoléculas. El mecanismo es desconocido. En 2006, Gerald F. Joyce del Instituto de Investigación Scripps de Estados Unidos sintetizó por primera vez la secuencia de ADN correspondiente basándose en el ARN R3C (una ribozima compuesta por 57 ácidos nucleicos). Por supuesto, esta secuencia de ADN sintética no tiene ninguna actividad catalítica. Luego, mediante un proceso de evolución acelerada in vitro, los investigadores encontraron con éxito en el tubo de ensayo una secuencia de ADN que tenía la misma actividad que la ribozima original, demostrando que el sistema de información genética basado en ácidos nucleicos se puede transmitir de forma lineal. y la función también se puede mutar en un cierto número realizada de la misma manera entre los dos sistemas sobre la base de (chemistry &: Biology, 2006, 13:329).
El tercer problema también está resuelto.
Unas palabras más sobre Gerald F. Joyce. Se graduó en la Universidad de Chicago en 1978, recibió su doctorado en la UCSD en 1984, fue estudiante de doctorado en el Instituto Salk de 1985 a 1988 y se convirtió en profesor de biología molecular en el Instituto de Investigación Scripps en 1989. Sus áreas de investigación incluyen la bioquímica del ARN y el desarrollo de nuevas ARN y ADN polimerasas mediante técnicas de evolución in vitro. Estaba interesado en la bioquímica temprana y creía que los ácidos nucleicos eran moléculas genéticas que podían amplificarse y mutarse en tubos de ensayo. Aprovechando las propiedades duales de los ácidos nucleicos como catalizadores y moléculas genéticas, su laboratorio diseñó e inventó la tecnología de evolución directa de moléculas de ARN in vitro. La tasa de evolución de la polimerasa de ácido nucleico en tubos de ensayo puede alcanzar hasta 100 generaciones por día, mucho más rápido que en la naturaleza. Utilizaron este sistema de evolución in vitro para explorar el potencial catalítico del ARN, centrándose en aquellas ARN polimerasas que tienen la capacidad de catalizar su propia replicación. Utilizando este sistema evolutivo artificial y la teoría de la mutación selectiva, Josie revela que las nuevas ARN polimerasas pueden haber desempeñado un papel importante en la formación de la vida temprana y nos muestra cómo evolucionar de sustancias químicas inanimadas a materia viva. Precisamente por sus destacadas contribuciones en este campo ganó el Premio Urie, el máximo galardón de la Sociedad Internacional del Origen de la Vida en 2005.
Varios trabajos de investigación de la revista "Science" se utilizan para explicar el mundo del ARN y el origen de la vida
El ribosoma es una fábrica molecular que traduce toda la información genética de la vida en proteínas. El primer mapa estructural de una gran subunidad ribosómica obtenido con resolución atómica revela algunos detalles inesperados, reforzando el apoyo al modelo "RNA World" del origen de la vida en la Tierra.
Los científicos de ribosomas Peter B. Moore y Thomas A. Steitz de la Universidad de Yale, investigadores de ribosomas desde hace mucho tiempo y sus colegas informan sobre una resolución completa de 2,4 angstrom de una gran subunidad ribosómica de la estructura atómica de la bacteria de la sal Haloarcula marismortui. . Esta subunidad consta de dos moléculas de ARN ribosomal (ARNr) y 31 proteínas. Los investigadores descubrieron que los dominios de ARNr se entrelazan como componentes de un rompecabezas tridimensional en un ribosoma para formar una sola entidad. Junto con las proteínas globulares que rodean los ribosomas, algunas proteínas se extienden hacia los ribosomas en formas extrañas. Sin embargo, el sitio activo (en el ribosoma), aquellos que catalizan la formación de cadenas peptídicas de proteínas, incluye solo ARNr. Las proteínas ribosomales en sí no parecen estar involucradas en la reacción que convierte la información genética en proteínas; pueden funcionar como arcilla o mortero para mantener unidos los "ladrillos" clave del ARNr.
El trabajo de 16 páginas fue publicado como artículo en la revista Science (2000, 289:905-920). Además, en un segundo artículo complementario (Science, 289:920-930), señalan que la estructura anterior significa que el ribosoma es en realidad una ribozima, una molécula de ARN capaz de catalizar sus propias reacciones químicas. Esta subunidad ribosomal grande consta de un túnel desde su punto de contacto con la subunidad ribosomal pequeña hasta detrás de ella. Este túnel es la salida principal de la "línea de montaje" de la fábrica de ribosomas. A medida que se agregan más aminoácidos, continúa enviando cadenas polipeptídicas. En el fondo de una grieta profunda a la entrada del túnel se encuentra el sitio activo donde se forma la cadena peptídica, y aquí los investigadores observaron más de cerca las propiedades catalíticas de todo este dominio de ARN.
¿Dónde y cómo obtienen estos sitios del ribosoma sus capacidades catalíticas? En el mismo número de Science también se publicó un artículo de Gregory W. Muth, que trabaja en el Departamento de Biofísica y Bioquímica Molecular de la Universidad de Yale (Science, 289:947). Según el trabajo correspondiente del investigador de bacterias halófilas Gregory W. Muth y sus colegas sobre la parte activa del ribosoma de E. coli, todas las especies vivas parecen retener una sola base de nucleótido en el ARNr y tiene las propiedades ácido-base adecuadas. El papel independiente y dominante del ARN en estos ribosomas puede respaldar aún más la idea de que la vida en la Tierra se originó a partir del ARN, una molécula que no sólo almacena información genética sino que también cataliza reacciones para reproducir otras moléculas.
Basándose en los tres resultados anteriores, Thomas R. Cech, quien descubrió por primera vez las ribozimas, expresó sus puntos de vista y discutió estos descubrimientos y la posibilidad de un mundo de ARN (Science, 289:879).
Dicho esto, toca volver al artículo sobre “riboswitches” mencionado al principio. Algunas bacterias pueden "nadar", cambiar a nuevas formas y, a veces, volverse virulentas, todo ello sin la participación del ADN. Dados los numerosos descubrimientos sobre la diversidad funcional del ARN, es natural suponer que él es el responsable. Entonces, ¿cómo regula el ARN los genes? Ronald Breaker (también de Yale pero afiliado al Instituto Médico Howard Hughes) y sus colegas descubrieron que una molécula de ARN llamada di-GMP cíclico, compuesta por sólo dos nucleósidos, puede activar una estructura de ARN más grande: el riboswitch. Los riboswitches regulan una amplia gama de actividades biológicas. Se asientan en una sola hebra de ARN mensajero, transportan las instrucciones genéticas del ADN y pueden decidir de forma independiente qué genes activar en una célula, una capacidad que alguna vez se pensó que era una habilidad única de las proteínas. El laboratorio de Blake ha creado riboswitches químicamente. Desde 2002, se han descubierto aproximadamente 20 riboswitches naturales, la mayoría de los cuales están ocultos en regiones no codificantes del ADN. Esta investigación ayuda a explicar cuestiones relacionadas con el origen de la vida. Es decir, hace miles de millones de años, los nucleósidos monocatenarios que contenían ARN pueden haber sido la forma de vida original, desempeñando algunas de las funciones celulares complejas que actualmente desempeñan las proteínas. Breaker cree que los riboswitches están altamente conservados en las bacterias, lo que indica su importancia y ascendencia antigua (Science, 2008, 321: 411).
Hablemos de la hipótesis del mundo del ARN
En "El origen de la vida", la teoría del ARN primero puede ser aceptada por más académicos de la comunidad científica, gracias a las diversas funciones del ARN mencionado anteriormente El descubrimiento del sexo. Sin embargo, todavía quedan muchos problemas para demostrar verdaderamente que el ARN es el material genético más antiguo. El mayor problema es que es muy difícil sintetizar ARN en las condiciones originales de la simulación. Joyce también creía que éste era el eslabón más débil de la hipótesis del "mundo del ARN" (Science, 1989, 246: 1248).
Experimentos previos a la biosíntesis han demostrado que en la Tierra primitiva, cuando el vapor de agua, el CO2, el N2 y otras moléculas de gas se encontraban con rayos o radiación solar ultravioleta, se podía generar una gran cantidad de ácido cianhídrico y formaldehído, lo que además La reacción produce bases. Sin embargo, la selección de estas bases y azúcares ribosa a partir de un gran número de isómeros y productos estructuralmente similares, sin ninguna razón evolutiva obvia, también puede dar como resultado un modo de unión específico y una estructura de secuencia perfecta.
Esto incluso hace sospechar que una "mano de Dios" está controlando todo esto en secreto. Christine de Duve, premio Nobel de Fisiología y Medicina de 1974 a 1974, cree que el "mundo del ARN" es demasiado complicado e increíble. En su libro de 1991 "El modelo de una célula", de Duve propuso una idea más antigua: que la vida se originó a partir de algún tipo de metabolismo primitivo. Él cree que las reacciones químicas aleatorias en la Tierra primitiva pueden haber producido una gran cantidad de péptidos, rodeados por muchas otras moléculas orgánicas, muchos de estos compuestos son naturalmente catalíticos y, una vez formados, pueden controlar selectivamente la reacción química original y luego una determinada; La concentración de estas sustancias primero aumentará y luego comenzará a catalizar otras reacciones; numerosas redes que conectan catalizadores y productos de reacción reducirán las reacciones secundarias, proporcionando así un modelo de selección natural no genético, y estos catalizadores seleccionados son la base de la biología actual. organismos El ancestro primitivo de algunas enzimas en el cuerpo. Esta hipótesis del sistema de De Duwe es en realidad consistente con la autocatálisis asimétrica y la teoría quimioautotrófica de Wachtershauser mencionadas en mi publicación de blog anterior. Incluso se puede decir que las dos últimas son el "modelo celular" de De Duwe. La hipótesis proporciona evidencia experimental. Sin embargo, según admite el propio De Duve, ninguno de estos pasos críticos ha sido probado en el laboratorio.