Kryomikroskopie enthüllt nanogroße Kopiermaschine, die an der Entstehung des Lebens beteiligt ist

Wie die komplizierte molekulare Maschinerie des Lebens aus einfachen Anfängen entstand, ist seit langem eine Frage. Mehrere Hinweise deuten auf eine ursprüngliche „RNA-Welt“ hin, in der eine „RNA-Kopiermaschine“ (eine sogenannte Replikase) begann, Kopien von sich selbst und anderen RNA-Molekülen anzufertigen, um die Evolution und das Leben selbst anzukurbeln. Allerdings scheint die alte Replikase mit der Zeit verloren gegangen zu sein und ihre Rolle in der modernen Biologie wurde von effizienteren Proteinmaschinen übernommen.

Um die RNA-Welt-Hypothese zu untermauern, haben Forscher versucht, im Labor ein Äquivalent der RNA-Replikase nachzubilden. Obwohl solche molekularen „Doppelgänger“ der antiken Replikase entdeckt wurden, blieben sowohl ihre detaillierte molekulare Struktur als auch ihre Wirkungsweise aufgrund der Schwierigkeit, die Struktur dynamischer RNA-Moleküle zu bestimmen, schwer zu ermitteln.

Struktur einer eisliebenden RNA-Replikase

In einer Forschungsarbeit veröffentlicht In Verfahren der Nationalen Akademie der WissenschaftenNun berichtet ein Forscherteam über die erste atomare Struktur einer RNA-Replikase mittels kryogener Elektronenmikroskopie (Kryo-EM).

Die untersuchte RNA-Replikase wurde vom Holliger-Labor (MRC LMB Cambridge, UK) entwickelt, um lange Templates mithilfe von Nukleotidtripletts in der eutektischen Eisphase (ähnlich wie Eisbrei) effizient zu kopieren.

Nach seiner Rückkehr aus dem Postdoc-Studium im Holliger-Labor ermöglichte Emil L. Kristoffersen, derzeit Assistenzprofessor an der Universität Aarhus, eine Zusammenarbeit mit dem Andersen-Labor (Universität Aarhus, Dänemark), um die Struktur der RNA-Replikase mittels Kryo-EM zu bestimmen. Interessanterweise weist die Struktur auffallende Ähnlichkeiten zu proteinbasierten Polymerasen auf, wobei die Domänen für die Matrizenbindung, Polymerisation und Substratunterscheidung in einer molekularen Form angeordnet sind, die einer offenen Hand ähnelt.

„Es war überraschend, dass ein Ribozym, das wir künstlich im Reagenzglas entwickelt haben, Merkmale natürlich vorkommender Proteinpolymerasen aufweist. Das deutet darauf hin, dass die Evolution konvergente molekulare Lösungen finden kann, egal ob das Material RNA oder Protein ist“, erklärt Philipp Holliger, Programmleiter am MRC LMB Cambridge, Großbritannien.

Modell für die RNA-Synthese in einer RNA-Welt

Um besser zu verstehen, wie die RNA-Replikase funktioniert, führten die Forscher eine umfassende Mutationsstudie durch, um die entscheidenden Elemente der RNA-Struktur hervorzuheben. Diese Analyse bestätigte Merkmale der katalytischen Stelle, zeigte aber auch die Bedeutung zweier sogenannter Kissing-Loop-Wechselwirkungen auf, die das Gerüst und die katalytischen Untereinheiten miteinander verbinden, sowie die Bedeutung einer spezifischen RNA-Domäne für die Treue, also die Genauigkeit mit dem die Replikase RNA-Stränge kopiert.

Während die Forscher die Struktur der Replikase in Aktion beim aktiven Kopieren von RNA nicht bestimmen konnten, war es möglich, ein Modell für das RNA-basierte RNA-Kopieren zu erstellen, das mit allen experimentellen Daten konsistent ist.

„Kryo-EM ist eine leistungsstarke Methode zur Untersuchung der Struktur und dynamischen Eigenschaften von RNA-Molekülen. Durch die Kombination von Kryo-EM-Daten mit Experimenten konnten wir ein Modell des Innenlebens dieser komplexen RNA-Maschine erstellen“, sagt Ewan McRae, der die Kryo-EM-Arbeit als Postdoc im Andersen-Labor der Universität Aarhus durchgeführt hat, jetzt aber seine eigene Forschungsgruppe am Houston Methodist Research Institute, Texas, USA, gegründet hat.

Inspiration für RNA-Nanotechnologie und Medizin

Die Studie bietet einen spannenden ersten Einblick in eine RNA-Replikase, von der man annimmt, dass sie sich an der Wurzel des Baums des Lebens befindet. Die derzeit entwickelten RNA-basierten Replikasen sind jedoch (im Vergleich zu proteinbasierten Polymerasen) sehr ineffizient und können ihre eigene Replikation und Evolution noch nicht aufrechterhalten. Die strukturellen Erkenntnisse, die die veröffentlichte Studie liefert, könnten bei der Entwicklung effizienterer Replikationsmechanismen helfen und uns so der Entwicklung von RNA-Weltszenarien im Reagenzglas näher bringen.

„Die Eigenschaften von RNA-Replikasen können durch den Einsatz chemischer Modifikationen, die in einer RNA-Welt existieren könnten, weiter verbessert werden. Darüber hinaus führt die Erforschung des Ursprungs des Lebens zur Entdeckung mehrerer neuer RNA-Bausteine, die auf dem aufstrebenden Gebiet der Forschung eingesetzt werden können RNA-Nanotechnologie und Medizin“, erklärt Ebbe Sloth Andersen, außerordentlicher Professor an der Universität Aarhus, Dänemark.