Bằng chứng về các phân tử RNA Adapter và Messenger đa chức năng

Slide 69 tập hợp bằng chứng gián tiếp nhưng có tính hội tụ rằng một sợi RNA duy nhất có thể đồng thời đóng vai trò một adapter — một chất vận chuyển giống tRNA, đưa axit amin đến chuỗi đang phát triển — và là một messenger — một trình tự giống mRNA có thể được đọc. Nếu cả hai vai trò có thể cùng tồn tại trong một phân tử, rào cản giữa tái bản RNA siêu vòng và dịch mã nguyên thủy sẽ giảm mạnh: không cần một lớp adapter riêng biệt, cũng như ngay từ đầu, không cần enzyme synthetase xuất hiện trước khi một bản tin có thể được giải mã.

Bốn dòng bằng chứng hội tụ

Trình tự và cấu trúc của tRNA được gióng hàng: chức năng adapter và messenger có thể cùng tồn tại trong một họ RNA — một phân tử mang cả vai trò tiếp nhận/chuyển axit amin lẫn thông tin trình tự có thể đọc được.
Tổng hợp de-novo midivariant Qβ: RNA có thể tự tái bản mà không cần bộ máy dịch mã có sẵn, nên các phân tử RNA lớn cỡ tRNA, có thể tái bản một cách ổn định, là hoàn toàn hợp lý trước khi dịch mã phức tạp xuất hiện.
Tiền thân enzyme β-sheet đơn giản: các protein chức năng sơ khai không đòi hỏi cấu trúc gấp nếp phức tạp; những peptide tối giản có thể đảm nhận chức năng nguyên thủy mà không cần enzyme gấp nếp hoàn chỉnh.
Tính linh hoạt về cấu hình của tRNA (hf ↔ FH): vai trò adapter và vai trò khuôn mẫu không bị tách biệt hoàn toàn thành các lớp RNA riêng rẽ.

Sự chuyển đổi hf ↔ FH

Cấu hình nào trong hai cấu hình thực sự xuất hiện phụ thuộc vào việc tRNA đang liên kết với một axit amin hay với một chuỗi peptide. Khi chuyển axit amin sang chuỗi peptide, tRNA chuyển từ cấu hình hf sang cấu hình FH (xem Hình 49). Mô hình giải thích thuyết phục cách mà, khi không có bộ máy dịch mã phức tạp, một bản tin vẫn có thể được đọc: chính sợi RNA đưa axit amin cũng đồng thời phơi bày một trình tự có thể đọc được.

Câu hỏi phản biện cần được xem trọng

Làm thế nào có thể hình dung được nguồn gốc của dịch mã, khi đã có những phân tử RNA có thể tái bản ổn định với kích thước lớn cỡ tRNA cùng những tiền đề để tổng hợp protein ở dạng nguyên thủy từ một số lượng hạn chế các axit amin đủ phổ biến? Câu hỏi này có thể được mài sắc thành một phản biện: "Câu hỏi này có thể được đặt theo cách khác: Tại sao lại không dùng các adapter oligonucleotide nhỏ?" Mô hình đa chức năng trả lời rằng phân tử phải đủ dài và đủ cấu trúc để hỗ trợ cả việc nhận diện của adapter lẫn khả năng đọc của messenger, nên một oligonucleotide bé nhỏ sẽ không đủ đáp ứng.

Lưu ý khi diễn giải

Đây là những lập luận về tính hợp lý cho một thế giới RNA đa chức năng, không phải bằng chứng hóa thạch trực tiếp. Midivariant Qβ là một dạng tương tự của thể tái bản hiện đại, các tiền thân β-sheet là những suy luận về cấu trúc gấp nếp tối giản, và sự chuyển đổi hf/FH là một giả thuyết cơ chế cho dịch mã sơ khai chứ không phải bằng chứng cổ đại trực tiếp.

Sự chuyển đổi tRNA từ hf sang FH

Một sợi tRNA duy nhất được hiển thị ở hai trạng thái: hf, khi nó mang một axit amin, và FH, sau khi axit amin đó được chuyển sang một chuỗi peptide. Vì cùng một sợi cũng phơi bày một trình tự có thể đọc được, vai trò adapter (nhận diện anticodon) và vai trò messenger (khuôn mẫu có thể đọc) không bị tách thành các lớp RNA riêng biệt — đó chính là lý do một bản tin có thể được đọc mà không cần bộ máy dịch mã phức tạp.

CÂU HỎI 1

Trình tự và cấu trúc của tRNA được gióng hàng, được trích dẫn trong slide này, chủ yếu dùng để ủng hộ luận điểm nào?

Dịch mã không thể bắt đầu cho đến khi có một enzyme protein gấp nếp hoàn chỉnh.

Phân tử tRNA luôn ngắn hơn mRNA hiện đại.

Mã di truyền đã được cố định trước khi bất kỳ quá trình tái bản RNA nào diễn ra.

Chức năng adapter và messenger có thể cùng tồn tại trong một họ RNA.

CÂU HỎI 2

Việc tổng hợp de-novo midivariant Qβ chứng minh điều gì trong lập luận này?

Peptide chỉ gấp thành cấu trúc β-sheet sau khi dịch mã đã tiến hóa.

tRNA cổ đại không chứa vòng anticodon.

RNA có thể tự tái bản mà không cần bộ máy dịch mã có sẵn.

Cấu hình hf không ổn định về mặt hóa học và không thể tồn tại lâu dài.

CÂU HỎI 3

Trong cơ chế được mô tả, cấu hình nào trong hai cấu hình tRNA thực sự xuất hiện phụ thuộc vào:

Số lượng codon có trong bản tin.

Nhiệt độ của đại dương nguyên thủy.

Việc tRNA liên kết với một axit amin hay với một chuỗi peptide.

Việc một enzyme synthetase đã tiến hóa hay chưa.

CÂU HỎI 4

Khi chuyển một axit amin sang chuỗi peptide, tRNA chuyển từ:

cấu hình hf sang cấu hình FH (xem Hình 49).

cấu hình FH sang cấu hình hf.

vai trò adapter sang vai trò thuần xúc tác.

hình dạng lá cỏ ba lá sang dạng chuỗi xoắn kép thẳng.

CÂU HỎI 5

Phản biện 'Tại sao lại không dùng các adapter oligonucleotide nhỏ?' được trả lời tốt nhất bằng cách lưu ý rằng:

Các oligonucleotide nhỏ không thể được tổng hợp tiền sinh học trong bất kỳ điều kiện nào.

Adapter luôn phải ngắn hơn messenger để có thể được đọc.

Chỉ những ribozyme có cấu trúc gấp β-sheet mới có thể liên kết axit amin.

Mô hình đa chức năng đòi hỏi RNA phải đủ dài và đủ cấu trúc để hỗ trợ cả nhận diện của adapter lẫn khả năng messenger/trình tự có thể đọc được.

Tình huống: Tái dựng một phân tử RNA đa chức năng

Đọc tình huống dưới đây và trả lời các câu hỏi.

Một nhóm nghiên cứu mô hình hóa thế giới RNA sơ khai đề xuất một loài RNA đơn gồm 76 nucleotide, mang cấu hình hf khi nó giữ một axit amin và cấu hình FH sau khi axit amin đó được chuyển sang một peptide ngắn; trình tự của cùng sợi này cũng có thể đọc được như một bản tin. Để ủng hộ đề xuất, họ trích dẫn các gióng hàng trình tự tRNA, tổng hợp de-novo midivariant Qβ và các tiền thân enzyme β-sheet đơn giản. Họ khẳng định điều này khiến một bản tin có thể đọc được mà không cần bất kỳ bộ máy dịch mã phức tạp nào.

1. Những quan sát được trích dẫn nào thực sự ủng hộ luận điểm đa chức năng, và kết quả nào sẽ bác bỏ nó?

Trả lời:
Bằng chứng ủng hộ: các gióng hàng tRNA cho thấy chức năng adapter và messenger có thể cùng tồn tại trong một họ RNA; midivariant Qβ chứng minh RNA tự tái bản mà không cần bộ máy dịch mã có sẵn, khiến các RNA cỡ tRNA có thể tái bản trở nên hợp lý; các tiền thân β-sheet cho thấy protein sơ khai không cần gấp nếp phức tạp; và sự chuyển đổi hf/FH cung cấp một cơ chế mà nhờ đó cùng một sợi vừa đưa axit amin vừa phơi bày một trình tự có thể đọc được. Sự bác bỏ sẽ đến từ việc chứng minh rằng không có một độ dài hay cấu trúc RNA đơn lẻ nào có thể phục vụ cả hai vai trò cùng lúc — ví dụ, nếu nhận diện của adapter đòi hỏi nghiêm ngặt một phân tử quá ngắn để có thể đọc được, hoặc nếu sự chuyển đổi từ hf sang FH không thể xảy ra khi axit amin được chuyển đi.

2. Đánh giá sức mạnh của bằng chứng này: đây là bằng chứng chứng minh cho một RNA đa chức năng cổ đại, hay chỉ là tính hợp lý? Cần thêm bằng chứng gì để chuyển từ tính hợp lý sang chứng minh?

Trả lời:
Bằng chứng này có tính hội tụ nhưng gián tiếp, nên nó thiết lập tính hợp lý hơn là chứng minh. Midivariant Qβ là một dạng tương tự của thể tái bản hiện đại, các tiền thân β-sheet là những suy luận về cấu trúc gấp nếp tối giản, và sự chuyển đổi hf/FH là một giả thuyết cơ chế cho dịch mã sơ khai, không phải bằng chứng cổ đại trực tiếp. Để chuyển từ tính hợp lý sang chứng minh sẽ cần những chỉ dấu trực tiếp về một phân tử RNA đơn lẻ cổ đại thực hiện cả hai vai trò — chẳng hạn các dấu hiệu trình tự/cấu trúc có thể truy vết được mà cả adapter và messenger đều chia sẻ, hoặc một RNA đơn lẻ được chứng minh bằng thực nghiệm là vừa tiếp nhận axit amin, vừa chuyển nó sang một peptide, vừa được đọc như một khuôn mẫu khi không có bộ máy dịch mã phức tạp.