Alle leven kwam voort uit RNA. Dat is in het kort de RNA-wereld hypothese. Een van de sterkste argumenten was het ribosoom, een essentieel celonderdeel dat bijna geheel uit RNA bestaat. Nieuw onderzoek aan de ouderdom van diverse delen van RNA laat echter zien dat deze hypothese grondig op de schop moet. Wat is de werkelijke oorzaak van het leven?
RNA-wereld
Het leek allemaal zo mooi. DNA, de drager van erfelijk materiaal in cellen anno nu, kan alleen maar genetische informatie opslaan. Eiwitten zijn zeer goed in het verrichten van allerleibiochemische klusen, maar kunnen weer geen leesbare informatie opslaan. RNA bleek echter de redder uit de nood. RNA kan namelijk zowel werken als enzym als informatiedrager. Het oermolecuul dus. De RNA-wereld hypothese, voor het eerst gepubliceerd in 1986 in het gezaghebbende tijdschrift Nature, stelt daarom dat het leven begon als RNA-molecuul, dat leerde samenwerken met eiwitten en zo uiteindelijk de eerste cellen vormde. Professor Gustavo Caetano-Anollés, verbonden aan de Universiteit van Illinois, vakgroep crop sciences en het Institute for Genomic Biology, gelooft dat dit niet klopt. Volgens hem konden nucleïnezuren zich nooit hebben ontwikkeld als deze niet met eiwitten hadden samengewerkt.
- Een raadselachtige ontdekking. Uit een analyse van de ouderdom van delen van ribosomen blijkt dat de bijbehorende eiwitten minstens zo oud zijn. Waar komt het leven vandaan? Bron: Gustavo Caetano-Anollés, Illinois Univ.
RNA is een “ribonucleo-eiwit machine,” een complex waarin tot tachtig verschillende eiwitten samenwerken met meerdere RNA moleculen, zodat het zinnig is te veronderstellen dat dit systeem Zich in een lamg proces van chemiasche co-evolutie heeft ontwikkeld, aldus Caetano-Anollés. Ook is volgens hem RNA niet in staat tot het synthetiseren van alle eiwitten.
Aanhangers van de RNA-wereld hypothese namen een aantal dingen aan over de evolutionaire oorsprong van het ribosoom. Deze aannames bleken niet te kloppen, bleek uit het onderzoek van zijn groep. De belangrijkste foutieve aanname: het deel van het ribosoom dat verantwoordelijk is voor het opbouwen van eiwitten, het peptidyl transferase centrum (PTC), is helemaal niet het oudste deel van het ribosoom, zoals gedacht.
Uitpluizen van evolutionaire informatie
In hun nieuwe analyse hebben ze door ribosomen van honderden verschillende organismen te vergelijken, een soort evolutionaire stamboom opgesteld. Hiermee ontwikkelden ze een evolutionaire tijdlijn met hierin de vermoedelijek ouderdom van diverse delen van het ribosoom. Dit deden ze zowel met het RNA-deel van het ribosoom als met het eiwitdeel. Op deze manier ontstonden twee “familiebomen”, één op basis van eiwitten, de ander op basis van RNA, die sterk overeenkwamen.
‘Eiwitdeel ouder dan RNA-deel’
Zo bleken de eiwitten die het PTC omringden, bijvoorbeeld, zo oud te zijn als het ribosomale RNA dat deze plek vormt. Evolutionair gezien bleek het PTC zich pas gevormd te hebben, vlak nadat de twee primaire subonderdelen van het ribosoom aan elkaar waren gaan zittten (met RNA-ketens ertussen). Een sterke aanwijzing dat eiwitten al bestonden voor ribosomale RNA’s actief werden, aldus de prof. Ook moeten deze stukken RNA hiervoor een andere taak hebben gehad.
Kortom: alles lijkt er op dat ribosomale eiwitten en RNA zich gelidelijk ontwikkelden. Bewijs dat het ribosoom niet voortkwam uit een RNA wereld, aldus Caetano-Anollés. Hij denkt dat in plaats hiervan een ribonucleo-eiwit wereld bestond, die veel lijkt op de tegenwoordige biochemie. Inderdaad is hier het nodige voor te zeggen: aminozuren komen in grote hoeveelheden voor in koolstofmeteorieten, nucleïnezuren slechts spaarzaam.
Hoe vermenigvuldigen eiwitten zichzelf?
Collega Russell Doolittle, van de University of California te San Diego, vindt het artikel interessant, maar begrijpt niet hoe proteïnes zichzelf katalyseerden, dat wil zeggen: hoe eiwitten andere eiwitten maakten. Het enige mechanisme dat we kennen en dat een beetje in de buurt komt is dat van de beruchte hersenziekte Creutzfeld-Jacob, waarbij prionen, besmettelijke eiwitten, een gezonde eiwitvariant in een prion veranderen. Dit verandert echter de vouwwijze van het eiwit, niet de aminozuurvolgorde. RNA, daarentegen, kan zichzelf zonder hulp kopiëren. Het tweede krachtige argument voor de RNA-wereld hypothese.
Ook eiwitsynthese zonder ribosomen mogelijk
Caetano-Anollés erkent het belang van deze kwestie. Hij wijst echter op het feit dat de eiwitten die zonder ribosomen andere eiwitten in elkaar zetten, een complex, maar in alle organismen universeel proces dat toch heel specifieke eiwitten kan creëren - ouder zijn dan ribosomale eiwitten. Hij denkt daarom dat niet ribosomen, maar andere moleculen de eerste biologische machines waren die eiwitten in elkaar zetten.
Ook kunnen ribosomen op zichzelf staand niets. Ze zijn volledig afhankelijk van de aanvoer van t-RNA, dat zijn aminozuren waaraan de bijpassende drie RNA-nucleotiden zijn geknoopt. Ribosomen “passen” voortdurend de puzzelstukjes op het m-RNA en pas indien deze overeenkomen, wordt de RNA losgestript van het t-RNA en het vrijkomende aminozuur aan de eiwitketting geregen. Dit merken van aminozuren gebeurt door eiwitten, niet door RNA, aldus de prof. Hij trekt hieruit de conclusie dat RNA moleculen begonnen als cofactoren (kleine hulpmoleculen) die hielpen bij de eiwitsynthese en deze verfijnden, wat zich utieindelijk ontwikkelde tot de ingewikkelde ribosomale machinerie van nu.
Naar mijn mening een plausibel verhaal. Inderdaad verklaart dit een aantal merkwaardige dingen die voor mijn gevoel niet klopten in de RNA wereld hypothese. Voor mij nieuw was dat er ook non-ribosomale eiwitsynthese bestaat, maar als je er over nadenkt passen nu de stukjes op hun plaats. Kortom: een eye-opener.
Prettig is ook dat het artikel [2] niet achter een paywall zit. Het artikel vereist enige biochemische kennis, maar deze is op internet op te zoeken.
Bron:
1. Study of ribosome evolution challenges RNA world hypothesis, University of Illinois News Bureau (2012)
2. Ajith Harish, Gustavo Caetano-Anollés. Ribosomal History Reveals Origins of Modern Protein Synthesis. PLoS ONE, 2012
