生命の起源：RNAワールド

生命はどのようにして生まれたのでしょうか。自分の親、の親、の親、の親と遡っていくと、どこまでさかのぼれるでしょうか。親の親の親、、、と遡れば、どこかで最初の「人間」に行きつくはずです。最初の人間が住んでいた時代に遡れたときに、そこにはそのたった一組の男女しかいなかったわけではないはずです。他にもたくさんの人間がいたはずですが、ずっと後世まで血がつながることになるのはその一組の男女だったという意味です。

その最初の人間からさらに遡ると、人間になるためのなんらかの突然変異が起こる前の状態の生き物になり、チンパンジーといった人間との近縁種との共通の祖先にいきつくでしょう。そうやって遡ると、最初の霊長類、最初の哺乳類、哺乳類と爬虫類との共通の祖先、さらに両生類との共通の祖先、魚類との共通の祖先、、、無脊椎動物との共通の祖先、と遡っていき、やがて最初の「多細胞生物」、そして究極には最初の真核生物、さらに先祖に遡れば、原核生物、そして、最初の原核生物、さらに遡れば、まだ細胞（バクテリア）の体をなしていないなにかになるはず。まだ細胞とはいえないが、とりあえず自己複製ができるはずです。

 

Where Did Life Come From? (feat. PBS Space Time and Eons!) Be Smart チャンネル登録者数 531万人

DNA,RNA,タンパク質のうちどれが真っ先に生じたのでしょうか？セントラルドグマによれば、DNAからRNAが転写されるので、RNAが存在するためにはDNAが必要です。またRNAに基いてタンパク質が合成されるので、タンパク質が存在するためにはRNAが必要です。またDNAが複製されるときにはDNAポリメラーゼというタンパク質が必要なので、DNAにはタンパク質が必要です。こう考えると堂々巡りになってしまいます。

アミノ酸や塩基の酵素に依らない生成

原始の地球の環境で、ＤＮＡやＲＮＡやタンパク質といった高分子のもとになる部品すなわちヌクレオチドやアミノ酸がそもそも存在できたのでしょうか。この問いに関しては、ミラーの実験が有名です。

  1. The Miller Volcanic Spark Discharge Experiment Adam P. Johnson, H. James Cleaves, Jason P. Dworkin, Daniel P. Glavin, Antonio Lazcano, and Jeffrey L. Bada Authors Info & Affiliations Science 17 Oct 2008 Vol 322, Issue 5900 p. 404 DOI: 10.1126/science.1161527　https://www.science.org/doi/10.1126/science.1161527

RNAワールド以前の”生命”（自己複製能を持つ分子）の形態

  1. 生命の起源は人工核酸 XNA？ 〜人工核酸の非酵素的鎖伸長法の開発〜　2021 年 2 月 4 日　プレスリリース　https://nls.mirai.nagoya-u.ac.jp/files/6ce1ed2cd5f10596c3f00980ce185ab515793c5f.pdf?utm_source=chatgpt.com

 

最もシンプルな自己複製能を持つ装置

  1. 原始生命を模した自己複製システムのダーウィン進化による複雑化を発見　プレスリリース　2022年

RNAワールド

  1. The RNA World as a Model System to Study the Origin of Life　Current Biology Volume 25, Issue 19, 5 October 2015, Pages R953-R963 Journal home page for Current Biology Review　https://universe-review.ca/R10-38-life.htm

RNAワールドは一世を風靡したと思いますが、最近はRNAワールドではなくて「RNA＋ペプチド」ワールドだという仮説も出てきており、何が定説ともいえなくなってきているようです。アミノ酸は別にリボソームの触媒がなくても、勝手に自発的に重合することも知られているので、絶対にタンパク質があとから出てくるシナリオでないとおかしいとおもいえません。

しかしRNAはとりあえず触媒作用を持ち得て、自分自身を複製することがあり得るというのはRNAワールド仮説の強力な根拠になると思います。RNAがリボザイムとして働いて逆転写酵素の活性を持つようになってDNAを合成したとか、逆にそのDNAを鋳型としてRNAを作るようになったとすれば、ＤＮＡの安定性が”生命”維持の助けになります。そうこうしているうちにＲＮＡがペプチド結合を触媒できるようになってポリペプチドがつくられて、つくられたポリペプチドのうちあるものが、それまでのリボザイムの役割を引き受けるようになったのかもしれません。ＲＮＡ（リボザイム）、ＤＮＡ，ｔＲＮＡ（アミノ酸とＲＮＡの結合したもの）、ポリペプチドという順番で役者がそろっていったのかなあなどと妄想するのは楽しいものです。

RNAワールドは高校生物でも紹介されていました。

  1. 5分でわかる！RNAワールドからDNAワールドへ　https://www.try-it.jp/chapters-15700/sections-15701/lessons-15707/point-3/

 

ＲＮＡを複製できるＲＮＡ酵素

  1. A polymerase ribozyme that can synthesize both itself and its complementary　bioRxiv preprint doi: https://doi.org/10.1101/2024.10.11.617851
  2. An RNA polymerase ribozyme that synthesizes its own ancestor Katrina F. Tjhung, Maxim N. Shokhirev, David P. Horning dhorning@salk.edu, and Gerald F. Joyce https://orcid.org/0000-0003-0603-2874 dhorning@salk.eduAuthors Info & Affiliations Edited by Jack W. Szostak, Massachusetts General Hospital, Boston, MA, and approved December 28, 2019 (received for review August 16, 2019) January 27, 2020 117 (6) 2906-2913　ＰＮＡＳ　https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.191428211
  3. A ribozyme transcribed by a ribozyme Thomas Bentin  Artif DNA PNA XNA. 2011 Apr-Jun;2(2):40–42. doi: 10.4161/adna.2.2.16852
  4. In Search of an RNA Replicase Ribozyme Author links open overlay panel Kathleen E McGinness 1 , Gerald F Joyce　Chemistry & Biology Volume 10, Issue 1, January 2003, Pages 5-14 Journal home page for Chemistry & Biology Reviewhttps://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1074552103000036

ＤＮＡを合成できる、つまり逆転写酵素の活性をもつＲＮＡ（リボザイム）

  1. A reverse transcriptase ribozyme Biswajit Samanta, Gerald F Joyce* The Salk Institute, La Jolla, California　eLife 2017;6:e31153. DOI: https://doi.org/10.7554/eLife.31153

ペプチド転移酵素 peptidyl transferase　リボザイム

リボソームは多数のタンパク質といくつかのRNA鎖から成り立つ複合体ですが、ペプチド転移酵素の触媒作用はRNAの部分だけによって実現されているということが結晶解析の研究から明らかになっています。つまりリボザイムはペプチドを重合させることができるのです。これはRNAが先にできたと考えるための有力な根拠になると思います。

  1. https://en.wikipedia.org/wiki/Peptidyl_transferase_center
  2. The Peptidyl Transferase Center: a Window to the Past Authors: Madhan R. Tirumalai https://orcid.org/0000-0002-5999-333X, Mario Rivas, Quyen Tran https://orcid.org/0000-0003-2029-2584, George E. Fox https://orcid.org/0000-0001-7767-8387 fox@uh.eduAuthors Info & Affiliations https://doi.org/10.1128/MMBR.00104-21 Evolution Review 10 November 2021 Share on
  3. The RNA World as a Model System to Study the Origin of Life　Current Biology Volume 25, Issue 19, 5 October 2015, Pages R953-R963 Journal home page for Current Biology Review　https://universe-review.ca/R10-38-life.htm　（仮想）Figure 3.  (D) The first peptidyl transferases may have been ribozymes catalyzing nonspecific peptide bond formation between amino acids.
  4. The Roles of RNA in the Synthesis of Protein Peter B Moore 1,2, Thomas A Steitz 1,2,3 Author information Copyright and License information PMCID: PMC3220363 PMID: 21068149 Cold Spring Harb Perspect Biol. 2011 Nov;3(11):a003780. doi: 10.1101/cshperspect.a003780
  5. The Ribosomal Peptidyl Transferase Center: Structure, Function, Evolution, Inhibition Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology, 40:285–311, 2005 https://geneticacomportamento.ufsc.br/files/2013/08/Polacek05-Ribozima-peptidil-transferase.pdf
  6. The structural basis of ribosome activity in peptide bond synthesis Science . 2000 Aug 11;289(5481):920-30. doi: 10.1126/science.289.5481.920. https://www.science.org/doi/10.1126/science.289.5481.920
  7. Peptidyl-transferase ribozymes: trans reactions, structural characterization and ribosomal RNA-like features B Zhang 1, T R Cech Affiliations Expand PMID: 9818147 DOI: 10.1016/s1074-5521(98)90113-2 Chem Biol . 1998 Oct;5(10):539-53. doi: 10.1016/s1074-5521(98)90113-2.

RNA-ペプチド ワールド

  1. A prebiotically plausible scenario of an RNA–peptide world Felix Müller, Luis Escobar, Felix Xu, Ewa Węgrzyn, Milda Nainytė, Tynchtyk Amatov, Chun‐Yin Chan, Alexander Pichler & Thomas Carell Nature volume 605, pages279–284 (2022)　Published: 11 May 2022 https://www.nature.com/articles/s41586-022-04676-3

関連論文

  1. A prebiotically plausible scenario of an RNA–peptide world Felix Müller, Luis Escobar, Felix Xu, Ewa Węgrzyn, Milda Nainytė, Tynchtyk Amatov, Chun‐Yin Chan, Alexander Pichler & Thomas Carell Nature volume 605, pages279–284 (2022)　https://www.nature.com/articles/s41586-022-04676-3
  2. Prebiotic Peptides: Molecular Hubs in the Origin of Life Moran Frenkel-PinterMousumi SamantaGonen Ashkenasy*Luke J. Leman*　　February 26, 2020 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.9b00664
  3. On the RNA world: evidence in favor of an early ribonucleopeptide world M Di Giulio J Mol Evol . 1997 Dec;45(6):571-8. doi: 10.1007/pl00006261.　https://link.springer.com/article/10.1007/PL00006261