低温显微镜揭示生命起源与纳米尺寸复制机有关 _生命

图为一种被认为与生命起源有关的RNA聚合酶核酶。核酶被冷冻在冰中，象征着它是如何被及时冷冻以进行成像的，以及它如何在冰冷的条件下发挥最佳作用。活性位点用黄/红光突出显示，模板-产物螺旋的建议位置以透明方式显示。功劳:符文·基德莫斯
据奥胡斯大学（Lise Refstrup Linnebjerg Pedersen）：复杂的生命分子机制是如何从简单的开端发展起来的，这是一个长期存在的问题。几条证据指向一个原始的“RNA世界”，在那里，“RNA复制机”（所谓的复制酶）开始复制自身和其他RNA分子，以启动进化和生命本身。然而，古老的复制酶似乎已经消失了，它在现代生物学中的作用已经被更高效的蛋白质机器取代。
为了支持RNA世界假说，研究人员一直在寻求在实验室中再造一种等同于RNA复制酶的酶。虽然这种古老复制酶的分子“分身”已经被发现，但由于难以确定动态RNA分子的结构，它们的详细分子结构和作用模式仍然难以捉摸。
嗜冰RNA复制酶的结构
在《美国国家科学院院刊》上发表的一篇研究论文中，一组研究人员现在利用低温电子显微镜（cryo-EM）报告了RNA复制酶的第一个原子结构。
正在研究的RNA复制酶是由霍利格实验室（英国剑桥LMB MRC）开发的，可以在共晶冰相（类似于冰凌）中使用核苷酸三联体有效复制长模板。
现任奥胡斯大学助理教授的Emil L. Kristoffersen从霍利格实验室的博士后研究回来后，促进了与安德森实验室（丹麦奥胡斯大学）的合作，通过冷冻电镜确定了RNA复制酶的结构。有趣的是，这种结构与基于蛋白质的聚合酶有惊人的相似之处，其模板结合、聚合和底物识别的结构域以类似张开的手的分子形状排列。
“令人惊讶的是，我们在试管中人工进化的核酶显示出天然蛋白质聚合酶的特征。这表明无论材料是RNA还是蛋白质，进化都可以发现聚合的分子解决方案，”英国剑桥LMB医学研究中心项目负责人菲利普·霍利格解释道
RNA世界中的RNA合成模型
为了更好地了解RNA复制酶的工作原理，研究人员进行了全面的突变研究，以突出RNA结构的关键元素。这项分析证实了催化位点的特征，但也揭示了两种所谓的接吻环相互作用的重要性，这种相互作用将支架和催化亚单位结合在一起，以及特定RNA结构域对保真度的重要性，即复制酶复制RNA链的准确性。
虽然研究人员无法确定在主动复制RNA时复制酶的结构，但有可能建立一个与所有实验数据一致的基于RNA的RNA复制模型。
“Cryo-EM是研究RNA分子结构和动力学特征的一种强有力的方法。尤恩·麦克雷说:“通过结合冷冻电镜数据和实验，我们能够建立这种复杂RNA机器内部运作的模型。”他在奥胡斯大学安德森实验室做博士后研究，但现在已经在美国德克萨斯州休斯顿卫理公会研究所成立了自己的研究小组..
RNA纳米技术和医学的启示
这项研究令人兴奋地首次看到了被认为位于生命之树根部的RNA复制酶。然而，目前开发的基于RNA的复制酶非常低效（与基于蛋白质的聚合酶相比），并且还不能维持自身的复制和进化。报道的研究提供的结构洞察力可能有助于设计更有效的复制机制，从而使我们更接近于在试管中开发RNA世界场景。
“RNA复制酶的特性可以通过使用RNA世界中可能存在的化学修饰来进一步改善。此外，对生命起源的研究导致发现了几种新的RNA构建模块，这些模块可能用于新兴的RNA纳米技术和医学领域，”丹麦奥胡斯大学副教授Ebbe Sloth Andersen解释说。