RNA maailma hüpotees

RNA maailma hüpotees on teooria, mille kohaselt oli praeguse, desoksüribonukleiinhappel (DNA), ribonukleiinhappel (RNA) ja valkudel põhineva elu eelkäijaks isereplitseeruvatel RNA molekulidel baseerunud elu. Ehkki praeguse elu arenemine RNA maailmast on üldiselt aktsepteeritud, ei pruukinud RNA-põhine elu olla esimene elu Maal. RNA on sarnaselt DNA-ga võimeline salvestama geneetilist informatsiooni ning sarnaselt valguliste ensüümidega katalüüsima biokeemilisi reaktsioone, mistõttu võis ta elu varases arengus asendada mõlemat. Evolutsiooni käigus läks info säilitamise funktsioon üle keemiliselt stabiilsemale DNA-le, samas kui funktsionaalselt paindlikumad valgud võtsid üle biokatalüüsi rolli. Potentsiaalseid tõendeid RNA maailma eksisteerimise kohta leidub kõigis praegustes rakkudes. RNA osaleb paljudes katalüüsiprotsessides ribosüümidena, RNA-põhine on informatsiooniülekanne genoomist ribosoomi ning lisaks osalevad erinevad RNA molekulid geeniekspressiooni, kromatiini struktuuri ja raku viirusvastaste kaitsemehhanismide reguleerimises. Ka paljud kofaktorid on nukleotiidid või nendega selgelt sarnased ained (ATP, CoA, NAD jm). Kõikide praeguste elusorganismide funktsioneerimine on üles ehitatud kolmele üksteisest sõltuvale biomolekulide klassile (DNA, RNA ja valgud). On selge, et taolise süsteemi abiogeneetiline tekkimine on praktiliselt võimatu, mistõttu on selle kujunemise kirjeldamiseks välja töötatud mitmesuguseid hüpoteese. RNA kui ürgse molekuli kontseptsiooni üle on teiste hulgas arutlenud Francis Crick ja Leslie Orgel, tähelepanuväärseimalt aga Carl Woese oma 1967. aastal avaldatud raamatus "The Genetic Code". Mõistet "RNA maailm" kasutas esimesena Nobeli auhinna laureaat Walter Gilbert aastal 1986. Erinevalt DNA-st ei moodusta RNA pikki kaksikheelikseid, vaid lühikesi molekulisiseseid heeliksite kogumeid, mis võivad teatud tingimustel organiseeruda spetsiifiliseks tertsiaarstruktuuriks. Sellised RNA-d sarnanevad mõneti globulaarsete valkudega ja võivad omandada katalüütilise aktiivsuse. RNA ensüüme ehk ribosüüme leidub praegustes rakkudes mitmeid, teiste hulgas ribosoomi aktiivtsenter, grupp I ja II intronid, telomeraas ning potentsiaalselt ka splaissosoom. Ribosüümid võivad olla elavad fossiilid. RNA ensümaatilisi omadusi: võime iseseisvalt replitseeruda või sünteesida erinevaid RNA molekule, mida on näidatud mitmetes laboratoorsetes katsetes; võime katalüüsida keemilisi reaktsioone, näiteks peptiidsideme ja nukleotiidide moodustumist; võime liita RNA 3' otsa aminohappejääk. RNA erineb DNA-st kolme olulise omaduse poolest: RNA esineb enamasti üheahelalisena, erinevalt desoksüribonukleotiidist esineb ribonukleotiidi 2' positsioonis hüdroksüülrühm ning RNA kasutab lämmastikalusena tümiini asemel uratsiili. Seetõttu salvestab RNA geneetilist infot DNA-ga pea identselt, kuid on viimasest labiilsem ja säilitab infot vaid ühes eksemplaris. Labiilsuse põhjused: Kui RNA ahelad ei ole seotud kaksikheeliksisse, on ribonukleotiidi 2'-hüdroksüülrühm võimeline ründama nukleotiide ühendavat fosfodiestersidet, mis viib nukleotiidahela katkemisele. Desoksüribonukleotiidid, kus 2'-hüdroksüülrühm puudub, taolist reaktsiooni ei võimalda. Samuti põhjustab antud funktsionaalrühm riboosis C3'-endo konformatsiooni, mistõttu võtab RNA kaksikheeliks A-DNA-ga sarnase struktuuri. Desoksüriboosi C2'-endo konformatsiooni tõttu esineb DNA aga enamasti B-DNA-na. Kuna tümiin on uratsiiliga keemiliselt väga sarnane, erinedes vaid 5-metüülrühma olemasolu poolest, on AT ja AU aluspaardumine identne. Erinevalt tümiinist on uratsiil aga tsütosiini hüdrolüütilise deamineerimise produkt. Seetõttu on RNA eriti vastuvõtlik mutatsioonidele, mis asendavad GC aluspaare GU ja AU paaridega. Ehkki RNA on DNA-st ebastabiilsem ja muteeruvam, ei muuda see geneetilise info säilitamist RNA kujul võimatuks, vaid lihtsalt energiakulukamaks: vajalik on pidev reparatsioonimehhanismide töö, et tekkinud kahjustusi eemaldada. Kuigi praegusele, evolutsiooni käigus optimeerunud elule võib see olla vastuvõetamatu, ei pruukinud see olla nii primitiivsele elule. RNA maailma hüpoteesi aluseks on RNA multifunktsionaalsus. Võime säilitada, paljundada ja edastada geneetilist informatsiooni ning samaaegselt käituda ribosüümina annab alust arvata, et täielikult RNA-põhine elu võib olla võimalik. RNA genoom esineb näiteks mitmetel viirustel, teiste hulgas Qβ, Ebola viirus ja HIV. Ehkki kaasaegsetes elusorganismides on geneetilise info säilitamise üle võtnud RNA-st keemiliselt stabiilsem DNA ja ribosüüme asendavad valgulised ensüümid, mis pakuvad rohkemate monomeeridega suuremat struktuurset ja funktsionaalset paindlikkust, võib kõikidest rakkudest leida hulgaliselt potentsiaalseid RNA maailma relikte: DNA biosünteesis tekib esmalt RNA, millele järgneb riboosi 2'-hüdroksüülrühma eemaldamine, mistõttu pidi esimesena tekkima võime sünteesida RNA-d. Ükski teadaolev DNA polümeraas ei suuda alustada uue DNA ahela sünteesi de novo, vajalik on vaba 3'-hüdroksüülrühma olemasolu ehk praimer, mida sünteesib enamasti primaas. Informatsiooniülekanne genoomist ribosoomi (mRNA), peptiidsideme süntees (rRNA) ning aminohapete transport (tRNA) on täielikult RNA-põhised. Valgud on nende protsesside juures vaid assisteerivad molekulid. Mitmeid biokeemilisi reaktsioone katalüüsivad ribosüümid. Paljud kofaktorid on nukleotiidid või nendega selgelt sarnased ained (ATP ja teised nukleosiidtrifosfaadid, CoA, NAD, NADP, FAD jt). RNA molekulid osalevad geeniregulatsioonis (miRNA, siRNA, piRNA, "riboswitch", antisenss-RNA), kromatiini struktuuri reguleerimises (telomeraas, Tsix antisenss-RNA X-kromosoomi kondensatsioonil) ja kaitses viirusrünnakute vastu (siRNA). Katseliselt on näidatud lämmastikaluste ja riboosi moodustumist tingimustes, mis vastavad varajasele Maale. Adeniin, tsütosiin, uratsiil ja guaniin koos paljude teiste orgaaniliste ainetega tekivad kõik lihtsal formamiidi kuumutamisel 140–160 °C-ni erinevate mineraalide juuresolekul. Formamiid tekib seejuures universumis laialdaselt levinud vesiniktsüaniidi ja vee vahelisel reaktsioonil. Aluselistes tingimustes katalüsaatori juuresolekul läbib formaldehüüd aldoolkondensatsiooni, mille tulemusena tekivad erinevad suhkrud, kaasaarvatud riboos. Sama reaktsiooni toimumist katalüsaatorita ja mittealuselises keskkonnas on näidatud hüdrotermaalsete lõõride läheduses. Nukleosiidide teke varajasel Maal on tunduvalt vähem mõistetud etapp nukleotiidide abiootilises sünteesis. Kui puriinid liituvad riboosile otse, siis pürimidiinid antud reaktsiooni ei läbi. Arvestatava läbimurdena kirjeldas John Sutherlandi uurimisgrupp 2009. aastal keemilisi radasid, kus väikestest orgaanilistest molekulidest, nagu glükoaldehüüd, glütseeraldehüüd, tsüaanamiid, tsüanoatsetüleen ja anorgaaniline fosfaat moodustuvad 2',3' tsüklilised pürimidiinnukleotiidid, mis on võimelised polümeriseeruma RNA-ks. Ehkki eraldiseisvate nukleotiidide abiootiline teke on võimalik, on probleemne nende iseeneslik polümeriseerumine RNA ahelaks. Leslie Orgeli ja Gerald Joyce'i väidete kohaselt on fosfodiestersideme tekkeks vajalik fosfaatrühma aktiveerimine, mida oleks varajase Maa tingimustes äärmiselt keeruline saavutada, ning sellisel liitumisel oleks ülekaalukaks põhiproduktiks mitte kõigis tänapäeval tuntud RNA molekulides leiduv 3',5'-, vaid 5',5'-fosfodiesterside. Lisaks oleks funktsionaalse molekuli teket takistanud keskkonnas leidunud arvukad orgaanilised ühendid, mis oleks tekkiva RNA molekuliga pidevalt kõrvalreaktsioone andnud. On näidatud, et 3',5'-fosfodiestersidemetega RNA ahela moodustumist nukleotiididest katalüüsivad boraadid, mis on olulised ka aluselises keskkonnas tekkiva riboosi stabiliseerimisel, ja molübdaadid. Kuna boraadid ja molübdaadid tekivad oksüdeerivas ning kuivas keskkonnas, oli neid redutseeriva atmosfääriga varajasel Maal arvatavasti vähe. Oksüdeerivama atmosfääriga varajasel Marsil leidus neid aga tunduvalt rohkem, mistõttu on sellise mehhanismiga RNA-põhise elu teke tõenäolisem just Marsil, kust see panspermiliselt Maale kandus. Küsimusi tekitab ka ribonukleotiidide stabiilsus. Katsed on näidanud, et riboosi poolestusaeg pH 7,0 ja 100 °C juures on 73 minutit. Temperatuuril 0 °C pikeneb see küll 44 aastani, kuid on isereplitseeruva süsteemi spontaanseks tekkeks arvatavasti ikkagi liiga lühike. Sarnaselt lühike on 100 °C juures ka lämmastikaluste poolestusaeg, ulatudes maksimaalselt ühe aastani. Ehkki temperatuuril 0 °C kasvab adeniini, guaniini ja uratsiili poolestusaeg 106 aastani, jääb see tsütosiinil endiselt 17 000 aasta kanti, mis ei pruugi olla elu tekkeks piisav. Need tulemused tõstatavad märkimisväärseid kahtlusi RNA-põhise elu iseenesliku tekkimise võimalikkuse kohta ning võivad viidata mõnele alternatiivsele mehhanismile. Üks võimalikest lahendustest on ribonukleotiidide stabliseerimine tahketel kandjatel (näiteks boraadid ja molübdaadid, mida kirjeldati eespool). RNA maailma hüpotees üritab omavahel siduda praegust elu ning abiogeneesi, kuid ei välista tingimata RNA-le eelnenud metabolismi, kus kesksel kohal asetseb mõni muu nukleiinhape. Välja on pakutud näiteks peptiidnukleiinhape (PNA), milles lämmastikaluseid seovad tavalised peptiidsidemed. PNA on RNA-st stabiilsem, kuid selle võimalikku teket varasele Maale vastavates tingimustes pole näidatud. Samuti on tõestamata treoosnukleiinhappe (TNA), glükoolnukleiinhappe (GNA) ja teiste hüpoteetiliste nukleiinhapete võimalik esinemine. Teisi alternatiivseid hüpoteese: PAH maailma hüpotees on 2004. aastal Simon Nicholas Plattsi välja pakutud teooria, mille kohaselt vahendasid RNA molekulide sünteesi lämmastikalustega seostunud ning virnadesse paigutunud polütsüklilised aromaatsed süsivesinikud (PAHid). PAH maailm üritab seega täita lünka lihtsate orgaaniliste molekulide tekke ja RNA maailma vahel. Peptiid-RNA maailma hüpotees Raua-väävli maailma hüpotees Paljud probleemid, mis kaasnevad elu tekke seletamisega Maal, on välditavad panspermia teooriaga. Panspermia ei eita RNA maailma – ekstremofiilsed RNA-põhised eluvormid või nende eelkäijad võisid Maale saabuda kosmosesse paiskunud kivimitel ning seejärel evolutsioneeruda. Abiogenees Elu teke RNA Copley SD, Smith E, Morowitz HJ (2007). "The origin of the RNA world: co-evolution of genes and metabolism". Bioorg Chem. 35 (6): 430–43. DOI:10.1016/j.bioorg.2007.08.001. PMID 17897696.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Cech TR (2012). "The RNA worlds in context". Cold Spring Harb Perspect Biol. 4 (7): a006742. DOI:10.1101/cshperspect.a006742. PMID 21441585. Robertson MP, Joyce GF (2012). "The origins of the RNA world". Cold Spring Harb Perspect Biol. 4 (5). DOI:10.1101/cshperspect.a003608. PMID 20739415. Lovett, Richard A. (9. juuli 2012). "Arsenic-Life Discovery Debunked—But "Alien" Organism Still Odd". National Geographic. Vaadatud 27. september 2014. Crick FH (1968). "The origin of the genetic code". J Mol Biol. 38 (3): 367–379. DOI:10.1016/0022-2836(68)90392-6. PMID 4887876. Orgel LE (1968). "Evolution of the genetic apparatus". J Mol Biol. 38 (3): 381–393. DOI:10.1016/0022-2836(68)90393-8. PMID 5718557. Woese C.R. (1967). The genetic code: The molecular basis for genetic expression. p. 186. Harper & Row Gilbert, Walter (veebruar 1986). "The RNA World". Nature. 319 (6055): 618. Bibcode:1986Natur.319..618G. DOI:10.1038/319618a0. Higgs PG (2000). "RNA secondary structure: physical and computational aspects". Quarterly Reviews of Biophysics. 33 (03): 199–253. DOI:10.1016/0022-2836(68)90392-6. PMID 4887876. Toor N, Keating KS, Taylor SD, Pyle AM (2008). "Crystal structure of a self-spliced group II intron". Science. 320 (5872): 77–82. DOI:10.1126/science.1153803. PMID 18388288.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Walter NG, Engelke DR (2002). "Ribozymes: catalytic RNAs that cut things, make things, and do odd and useful jobs". Biologist. 49 (05): 199–203. W. K. Johnston, P. J. Unrau, M. S. Lawrence, M. E. Glasner and D. P. Bartel RNA-Catalyzed RNA Polymerization: Accurate and General RNA-Templated Primer Extension. Science 292, 1319 (2001) Unrau, P. J.; Bartel, D. P. (1998). "RNA-catalysed nucleotide synthesis". Nature. 395 (6699): 260–263. Bibcode:1998Natur.395..260U. DOI:10.1038/26193. PMID 9751052. Erives A (2011). "A Model of Proto-Anti-Codon RNA Enzymes Requiring L-Amino Acid Homochirality". J Molecular Evolution. 73 (1–2): 10–22. DOI:10.1007/s00239-011-9453-4. PMC 3223571. PMID 21779963. Salazar M, Fedoroff OY, Miller JM, Ribeiro NS, Reid BR (1992). "The DNA strand in DNAoRNA hybrid duplexes is neither B-form nor A-form in solution". Biochemistry. 32 (16): 4207–15. DOI:10.1021/bi00067a007. PMID 7682844.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Evans, TC, Jr (2007). "DNA Damage – the major cause of missing pieces from the DNA puzzle". NEB expressions. Vaadatud 27. september 2014. Penny, GD; et al. (11. jaanuar 1996). "Requirement for Xist in X chromosome inactivation". Nature. 379 (6561): 131–137. {{cite journal}}: et al.-i üleliigne kasutus kohas: |first= (juhend) Saladino, R; Botta, G; Pino, S; Costanzo, G; Di Mauro, E (2012). "From the one-carbon amide formamide to RNA all the steps are prebiotically possible". Biochimie. 94 (7): 1451–6. DOI:10.1016/j.biochi.2012.02.018. PMID 22738728. Camara-Campos, Amaya (16. juuni 2011). "Forming the first sugars with formose reactions". Royal Society of Chemistry. Vaadatud 27. september 2014. Powner M.W., Gerland B, Sutherland J.D. (2009). "Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions". Nature. 459 (7244): 239–242. Bibcode:2009Natur.459..239P. DOI:10.1038/nature08013. PMID 19444213.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Gordon C. Mills, Dean Kenyon. "The RNA World: A Critique". Access Research Network. Vaadatud 10.09.2011. Ricardo, A.; et al. (2004). "Borate Minerals Stabilize Ribose". Science. 303 (5655): 196. DOI:10.1126/science.1092464. PMID 14716004. {{cite journal}}: et al.-i üleliigne kasutus kohas: |author2= (juhend) Zimmer, Carl (12. september 2013). "A Far-Flung Possibility for the Origin of Life". New York Times. Vaadatud 12. september 2013. Larralde, R.; Robertson, M. P.; Miller, S. L. (1995). "Rates of decomposition of ribose and other sugars: implications for chemical evolution". PNAS. 92 (18): 8158–8160. Bibcode:1995PNAS...92.8158L. DOI:10.1073/pnas.92.18.8158. PMC 41115. PMID 7667262. Levy, Matthew; Miller, Stanley L. (1998). "The stability of the RNA bases: Implications for the origin of life". PNAS. 95 (14): 7933–7938. Bibcode:1998PNAS...95.7933L. DOI:10.1073/pnas.95.14.7933. PMC 20907. PMID 9653118. Egholm M, Buchardt O, Christensen L, Behrens C, Freier SM, Driver DA, Berg RH, Kim SK, Nordén B, and Nielsen PE (1993). "PNA Hybridizes to Complementary Oligonucleotides Obeying the Watson-Crick Hydrogen Bonding Rules". Nature. 365 (6446): 566–8. DOI:10.1038/365566a0. PMID 7692304.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) [1], NASA's Astrobiology website Ehrenfreund P, Rasmussen S, Cleaves J, Chen L. (2006) Experimentally tracing the key steps in the origin of life: The aromatic world. Astrobiology 6(3):490–520. Harold S Bernhardt, The RNA world hypothesis: the worst theory of the early evolution of life (except for all the others)