Prove a favore di adattatori e messaggeri RNA a doppia funzione

La diapositiva 69 raccoglie prove indirette ma convergenti che un singolo filamento di RNA potesse agire contemporaneamente come adattatore — un trasportatore simile al tRNA che consegna un amminoacido a una catena in crescita — e come messaggero — una sequenza simile all'mRNA che può essere letta. Se entrambi i ruoli possono coesistere in una sola molecola, la barriera tra la replicazione iperciclica dell'RNA e la traduzione primitiva crolla bruscamente: né una classe separata di adattatori né, all'inizio, una sintetasi dovettero comparire prima che un messaggio potesse essere decodificato.

Quattro linee di prova convergenti

Allineamenti di sequenza e strutturali del tRNA: le funzioni di adattatore e messaggero possono risiedere nella stessa famiglia di RNA — una sola molecola svolge sia il ruolo di accettore/trasferimento di amminoacidi sia quello di informazione di sequenza leggibile.
Sintesi de novo del midivariante Qβ: l'RNA può riprodursi senza un apparato di traduzione preesistente, quindi molecole di RNA grandi, riproducibili e della dimensione di un tRNA sono plausibili prima che esista una traduzione sofisticata.
Semplici precursori enzimatici a foglietto β: le prime proteine funzionali non richiedevano ripiegamenti complessi; peptidi minimi potevano fornire una funzione primitiva senza un enzima completamente ripiegato.
Flessibilità conformazionale del tRNA (hf ↔ FH): i ruoli di adattatore e stampo non sono completamente separati in classi distinte di RNA.

La commutazione hf ↔ FH

Quale delle due configurazioni sia effettivamente presente dipende dal fatto che il tRNA sia legato a un amminoacido o a una catena peptidica. Trasferendo un amminoacido alla catena peptidica, il tRNA passa dalla hf alla FH configurazione (cfr. Fig. 49). Il modello spiega bene come, in assenza di un apparato di traduzione sofisticato, un messaggio possa essere letto: lo stesso filamento che consegna un amminoacido espone anche una sequenza leggibile.

La controdomanda da prendere sul serio

Come si potrebbe immaginare un'origine della traduzione, date molecole di RNA riproducibili grandi quanto il tRNA e i prerequisiti per sintetizzare proteine in forma primitiva a partire da un numero limitato di amminoacidi sufficientemente comuni? La domanda può essere affinata in un'obiezione: "Questa domanda può essere posta in alternativa come: perché non piccoli adattatori oligonucleotidici?" Il modello a doppia funzione risponde che la molecola deve essere sufficientemente lunga e strutturata per sostenere sia il riconoscimento dell'adattatore sia la leggibilità del messaggero, quindi un minuscolo oligonucleotide non sarebbe sufficiente.

Cautela interpretativa

Questi sono argomenti di plausibilità a favore di un mondo a RNA a doppia funzione, non prove fossili dirette. Il midivariante Qβ è un analogo moderno di replicatore, i precursori a foglietto β sono inferenze basate su ripiegamenti minimi, e la commutazione hf/FH è un'ipotesi meccanicistica per la traduzione precoce, piuttosto che una prova antica diretta.

Commutazione del tRNA da hf a FH

Un unico filamento di tRNA mostrato in due stati: hf, quando trasporta un amminoacido, e FH, dopo che tale amminoacido è stato trasferito a una catena peptidica. Poiché lo stesso filamento espone anche una sequenza leggibile, il ruolo di adattatore (riconoscimento dell'anticodone) e il ruolo di messaggero (stampo leggibile) non sono separati in classi distinte di RNA — ed è esattamente per questo che un messaggio può essere letto senza un apparato di traduzione sofisticato.

DOMANDA 1

Gli allineamenti di sequenza e strutturali del tRNA citati in questa diapositiva sono usati principalmente per sostenere quale affermazione?

La traduzione non può iniziare finché non esiste un enzima proteico completamente ripiegato.

Le molecole di tRNA sono sempre più corte dell'mRNA moderno.

Il codice genetico è stato fissato prima che avvenisse qualsiasi replicazione dell'RNA.

Le funzioni di adattatore e messaggero possono risiedere nella stessa famiglia di RNA.

DOMANDA 2

Che cosa dimostra la sintesi de novo del midivariante Qβ in questo argomento?

I peptidi si ripiegano in foglietti β solo dopo che la traduzione si è evoluta.

I tRNA antichi non contenevano alcun ansa dell'anticodone.

L'RNA può riprodursi senza un apparato di traduzione preesistente.

La configurazione hf è chimicamente instabile e non può persistere.

DOMANDA 3

Nel meccanismo descritto, quale delle due configurazioni del tRNA sia effettivamente presente dipende da:

Il numero di codoni contenuti nel messaggio.

La temperatura dell'oceano primordiale.

Se il tRNA è legato a un amminoacido o a una catena peptidica.

Se una sintetasi si è già evoluta.

DOMANDA 4

Trasferendo un amminoacido alla catena peptidica, il tRNA passa da:

dalla configurazione hf a quella FH (cfr. Fig. 49).

dalla configurazione FH a quella hf.

da un ruolo di adattatore a un ruolo puramente catalitico.

da una forma a trifoglio a un duplex lineare.

DOMANDA 5

All'obiezione "Perché non piccoli adattatori oligonucleotidici?" si risponde al meglio osservando che:

I piccoli oligonucleotidi non possono essere sintetizzati prebioticamente in nessuna condizione.

Gli adattatori devono sempre essere più corti dei messaggeri per poter essere letti.

Solo i ribozimi con ripiegamenti a foglietto β possono legare amminoacidi.

Il modello a doppia funzione richiede una lunghezza e una struttura di RNA sufficienti a sostenere sia il riconoscimento dell'adattatore sia la capacità di messaggero/sequenza leggibile.

Caso di studio: ricostruire un RNA a doppia funzione

Leggi lo scenario seguente e rispondi alle domande.

Un gruppo di ricerca che modella un mondo a RNA primordiale propone una singola specie di RNA di 76 nucleotidi che adotta la configurazione hf quando trasporta un amminoacido e la configurazione FH una volta che tale amminoacido è stato trasferito a un breve peptide; la sequenza dello stesso filamento è anche leggibile come messaggio. A sostegno della proposta citano gli allineamenti di sequenza del tRNA, la sintesi de novo del midivariante Qβ e semplici precursori enzimatici a foglietto β. Sostengono che ciò renda un messaggio leggibile senza alcun apparato di traduzione sofisticato.

1. Quali osservazioni citate sostengono genuinamente l'affermazione della doppia funzione, e quale risultato la falsificherebbe?

Risposta:
Prove a sostegno: gli allineamenti del tRNA mostrano che le funzioni di adattatore e messaggero possono risiedere nella stessa famiglia di RNA; il midivariante Qβ dimostra la riproduzione dell'RNA senza un apparato di traduzione preesistente, rendendo plausibili RNA riproducibili della dimensione di un tRNA; i precursori a foglietto β mostrano che le proteine precoci non richiedono un ripiegamento complesso; e la commutazione hf/FH fornisce un meccanismo mediante il quale lo stesso filamento consegna un amminoacido ed espone una sequenza leggibile. La falsificazione deriverebbe dal dimostrare che nessuna singola lunghezza o struttura di RNA può servire entrambi i ruoli contemporaneamente — per esempio, se il riconoscimento dell'adattatore richiedesse rigorosamente una molecola troppo corta per essere leggibile, o se il passaggio da hf a FH non potesse avvenire al momento del trasferimento dell'amminoacido.

2. Valuta la solidità di queste prove: sono la dimostrazione di un antico RNA a doppia funzione o solo plausibilità? Quali prove aggiuntive sarebbero necessarie per passare dalla plausibilità alla dimostrazione?

Risposta:
Le prove sono convergenti ma indirette, quindi stabiliscono una plausibilità piuttosto che una dimostrazione. Il midivariante Qβ è un analogo moderno di replicatore, i precursori a foglietto β sono inferenze basate su ripiegamenti minimi, e la commutazione hf/FH è un'ipotesi meccanicistica per la traduzione precoce, non una prova antica diretta. Passare dalla plausibilità alla dimostrazione richiederebbe indicatori diretti di un singolo RNA antico che svolgeva entrambi i ruoli — per esempio firme di sequenza/strutturali tracciabili condivise da adattatori e messaggeri, oppure un singolo RNA dimostrato sperimentalmente che accetta simultaneamente un amminoacido, lo trasferisce a un peptide e viene letto come stampo in assenza di un apparato di traduzione sofisticato.