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低溫顯微鏡揭示生命起源與納米尺寸復制機有關

生命


低溫顯微鏡揭示生命起源與納米尺寸復制機有關


圖為一種被認為與生命起源有關的RNA聚合酶核酶 。核酶被冷凍在冰中 ， 象征著它是如何被及時冷凍以進行成像的，以及它如何在冰冷的條件下發揮最佳作用 ?；钚晕稽c用黃/紅光突出顯示 ， 模板-產物螺旋的建議位置以透明方式顯示 。功勞:符文·基德莫斯
據奧胡斯大學（Lise Refstrup Linnebjerg Pedersen）：復雜的生命分子機制是如何從簡單的開端發展起來的，這是一個長期存在的問題 。幾條證據指向一個原始的“RNA世界”，在那里，“RNA復制機”（所謂的復制酶）開始復制自身和其他RNA分子，以啟動進化和生命本身 。然而，古老的復制酶似乎已經消失了，它在現代生物學中的作用已經被更高效的蛋白質機器取代 。
為了支持RNA世界假說，研究人員一直在尋求在實驗室中再造一種等同于RNA復制酶的酶 。雖然這種古老復制酶的分子“分身”已經被發現，但由于難以確定動態RNA分子的結構 ， 它們的詳細分子結構和作用模式仍然難以捉摸 。
嗜冰RNA復制酶的結構
在《美國國家科學院院刊》上發表的一篇研究論文中 ， 一組研究人員現在利用低溫電子顯微鏡（cryo-EM）報告了RNA復制酶的第一個原子結構 。
正在研究的RNA復制酶是由霍利格實驗室（英國劍橋LMB MRC）開發的 ， 可以在共晶冰相（類似于冰凌）中使用核苷酸三聯體有效復制長模板 。
現任奧胡斯大學助理教授的Emil L. Kristoffersen從霍利格實驗室的博士后研究回來后 ， 促進了與安德森實驗室（丹麥奧胡斯大學）的合作，通過冷凍電鏡確定了RNA復制酶的結構 。有趣的是，這種結構與基于蛋白質的聚合酶有驚人的相似之處，其模板結合、聚合和底物識別的結構域以類似張開的手的分子形狀排列 。
“令人驚訝的是 ， 我們在試管中人工進化的核酶顯示出天然蛋白質聚合酶的特征 。這表明無論材料是RNA還是蛋白質，進化都可以發現聚合的分子解決方案，”英國劍橋LMB醫學研究中心項目負責人菲利普·霍利格解釋道
RNA世界中的RNA合成模型
為了更好地了解RNA復制酶的工作原理，研究人員進行了全面的突變研究，以突出RNA結構的關鍵元素 。這項分析證實了催化位點的特征，但也揭示了兩種所謂的接吻環相互作用的重要性，這種相互作用將支架和催化亞單位結合在一起，以及特定RNA結構域對保真度的重要性 ， 即復制酶復制RNA鏈的準確性 。
雖然研究人員無法確定在主動復制RNA時復制酶的結構，但有可能建立一個與所有實驗數據一致的基于RNA的RNA復制模型 。
“Cryo-EM是研究RNA分子結構和動力學特征的一種強有力的方法 。尤恩·麥克雷說:“通過結合冷凍電鏡數據和實驗，我們能夠建立這種復雜RNA機器內部運作的模型 ?！彼趭W胡斯大學安德森實驗室做博士后研究 ， 但現在已經在美國德克薩斯州休斯頓衛理公會研究所成立了自己的研究小組..
RNA納米技術和醫學的啟示
這項研究令人興奮地首次看到了被認為位于生命之樹根部的RNA復制酶 。然而，目前開發的基于RNA的復制酶非常低效（與基于蛋白質的聚合酶相比），并且還不能維持自身的復制和進化 。報道的研究提供的結構洞察力可能有助于設計更有效的復制機制 ， 從而使我們更接近于在試管中開發RNA世界場景 。
“RNA復制酶的特性可以通過使用RNA世界中可能存在的化學修飾來進一步改善 。此外，對生命起源的研究導致發現了幾種新的RNA構建模塊 ， 這些模塊可能用于新興的RNA納米技術和醫學領域，”丹麥奧胡斯大學副教授Ebbe Sloth Andersen解釋說 。