Az RNS-világ

Az RNS-világ hipotézis szerint a földi élet egy egyszerű RNS molekulával kezdődött, amely más molekulák segítsége nélkül képes volt másolatot készíteni önmagáról.

A DNS, az RNS és a fehérjék jelentősége alapvető a földi élet szempontjából. A DNS hordozza azokat az utasításokat, amelyek alapján felépülnek az élőlények, a baktériumoktól a poszméhekig. A fehérjék pedig azokat a kémiai reakciókat irányítják, amelyek az egészséges, élő sejtek működéséhez szükségesek. Az RNS-t egészen a közelmúltig alig tartották többnek, mint a DNS és a fehérjék között közvetítő futárnak, amely a fehérjék felépítéséhez szükséges utasításokat szállítja mint hírvivő (messenger) RNS, azaz mRNS. Az RNS azonban ennél sokkal többre képes. A fehérjékhez hasonlóan képes kémiai reakciók irányítására, emellett genetikai információt is hordoz, akárcsak a DNS. Mivel pedig az RNS mindkét említett feladatot képes ellátni, sok kutató úgy véli, hogy az általunk ismert élet egy RNS-világban kezdődött, DNS és fehérjék nélkül.

Hogyan alakult ki az RNS a Földön? Kutatók szerint az RNS építőkövei (a nukleotidok) a korai Földön kavargó őslevesben álltak össze. Az első RNS-ek ezeknek a nukleotidoknak az összekapcsolódásával keletkeztek. Alighogy létrejöttek, rögtön el is bomlottak; helyettük azonban újak keletkeztek. Egyes RNS-ek stabilabbnak bizonyultak a többinél. Ezek hosszabbra nőttek és gyorsabban építették be magukba a nukleotidokat. Végül az RNS szálak növekedése gyorsabbá vált, mint a lebomlásuk. Így kapott esélyt az RNS az élet elindítására.

Minden élőlény szaporodik. Genetikai információjukat lemásolják, és továbbadják az utódaiknak. Az RNS-eknek is szaporodniuk kellett ahhoz, hogy elindítsák az életet. Ezért vélik úgy a kutatók, hogy az RNS-világ az önmagát másolni képes RNS megjelenésével kezdődött. Ezzel újabb, önmagukat másoló RNS-ek keletkeztek. Egyesek nagyobb sikerrel másolták magukat, mint a többiek. Az RNS-ek között versengés alakult ki, amelyet a legsikeresebb nyert. Az évmilliók során sokasodó és fejlődő RNS-ek egy sor RNS-gépezetet hoztak létre. A fejlődés egyik szakaszában létrejöttek a fehérjék és a DNS. A fehérjék átvették a kémiai reakciók irányítását, a DNS pedig – amely stabilabb, mint az RNS – átvette a genetikai információhordozó szerepét.

Az RNS-világban kulcsfontosságú tényező lehetett, hogy az RNS építőkövek (nukleotidok) kellő mennyiségben álljanak rendelkezésre. A kutatók szerint a nukleotidokat építő RNS-ek azért fejlődtek ki a korai Földön, hogy nukleotidokat biztosítsanak az új RNS-ek szintéziséhez.

Az RNS-világ hipotézis szerint az első RNS-ek az őslevesben keletkezett, szabadon úszkáló nukleotidokból épültek fel. Ezek RNS-szálakká kapcsolódtak össze, amelyek azonban nem voltak túl stabilak, és gyorsan lebomlottak. Egyesek azonban a többieknél stabilabbnak bizonyultak; ezek hosszabbra nőttek és gyorsabban kötötték meg az újabb nukleotidokat. Az RNS-szálak növekedése végül gyorsabbá vált, mint a lebomlásuk – ezzel az RNS előtt megnyílt az út. Az évmilliók során sokasodó és fejlődő RNS-ek egy sor RNS-gépezetet hoztak létre, amelyek a ma általunk ismert élet alapjai. Az RNS molekulák birodalma viszont bőséges utánpótlást igényelt nukleotidokból. A kutatók szerint a nukleotid-építő RNS-ek azért fejlődtek ki, hogy biztosítsák ezeket az RNS-építőköveket.

Amikor kutatók megpróbálták kémcsőben rekonstruálni a korai Földre jellemző körülményeket, sikerült kifejleszteniük olyan RNS-gépezeteket, amelyek a nukleotidok egyes alkotóit létrehozó kémiai reakciókat irányítottak. Ez bizonyítja, hogy az RNS képes olyan kémiai reakciók irányítására, amelyekben nukleotidok keletkeznek. A kutatókra azonban egyelőre még vár az a feladat, hogy olyan RNS gépezetet hozzanak létre, amely teljes nukleotidokat képes létrehozni a korai Földön rendelkezésre álló alkotóelemekből.

Kutatók szerint az RNS-világban előfordult, hogy az egyszerű RNS-ek a nagyobb RNS-ekhez vagy más molekulákhoz kapcsolódva olyan komplexeket alakítottak ki, amelyek megváltoztathatták vagy segíthették a működésüket. Ez újabb lépést jelentett az összetettebb élet kialakulása felé.

A riboszómákat, a sejtek fehérjéit összeszerelő gépezeteket riboszómális RNS-ek (rRNS-ek) és fehérjék építik fel. A riboszómát alkotó rRNS-ek azonban jóval hamarabb keletkeztek, mint a riboszómális fehérjék. Lehetséges, hogy valamikor az RNS-világban egy RNS egy másik RNS-hez kapcsolódva létrehozott egy olyan RNS gépezetet, amely – a világon első ízben – az aminosavakat fehérjékké kapcsolta össze. Így keletkezhetett a riboszóma első változata.

Baktériumokban és és néhány növényben találhatók olyan hírvivő RNS-ek (mRNS-ek), amelyek úgynevezett ribokapcsoló (riboswitch) kódsorozatot tartalmaznak, amely képes hozzákapcsolódni bizonyos molekulákhoz. Ennek a molekulának a megkötődése szabályozza, hogy az mRNS molekuláról történik-e fehérjeszintézis. Ez a molekula lehet például egy tápanyag, amely hozzákapcsolódik az mRNS ribokapcsoló szakaszához, és megindítja az mRNS leolvasását, azaz egy olyan fehérje szintézisét, amely bontja ugyanezt a tápanyagot. A ribokapcsoló szakaszt tartalmazó mRNS-ek tehát képesek a saját működésüket szabályozni egyes molekulák hatására. Korábban úgy vélték, hogy az mRNS fehérjetermelését csak fehérjék szabályozzák; a ribokapcsolók létezése azonban arra utal, hogy ilyen fajta szabályozó rendszer már az RNS-világban is létezhetett, jóval azelőtt, hogy a fehérjék létrejöttek.

A sejtjeinkben működik egy fehérjéket kalauzoló gépezet, amelyet RNS és fehérje épít fel, és az a feladata, hogy az újonnan készülő fehérjéket a rendeltetési helyükre juttassa a sejtben. Ennek a neve szignálfelismerő részecske (SRP).

A sejtben az SRP azt kutatja, hogy melyik összeszerelő üzemben (riboszómán) indul meg a fehérjeszintézis. Amint egy riboszómán előbukkan egy fehérje, hozzákapcsolódik. A riboszóma félbehagyja a fehérje szintézisét, amíg az SRP a rendeltetési helyére szállítja a riboszómát a megkezdett fehérjével együtt. Amint megérkeztek, az SRP leválik, és a fehérjeszintézis folytatódik.

Az SRP-t alkotó RNS minden élőlényben megtalálható, ami arra utal, hogy már a legkorábbi életformákban kialakult. Amikor a fehérjék megjelentek a Földön, lehetséges, hogy ennek a kalauz RNS-nek egy korai változata segítette a fehérjék szerveződését a sejtben. Elősegíthette az ősi sejtek szerveződését azzal, hogy irányította a fehérjékből kialakuló sejtváz felépülését. A sejtváz segít a sejt alakjának fenntartásában, és egyfajta úthálózatként szolgál a sejtben zajló anyagforgalom számára.

Egy adott hírvivő RNS (mRNS) genetikai információtartalma többféle különböző módon is újrakeverhető, így a lefordítása sokféle fehérjét eredményezhet. A soksejtű élőlények evolúcióját felgyorsította az a képesség, hogy egyetlen RNS alapján többféle fehérje is készíthető.

Az újonnan képződött mRNS-t egy spliceoszómának nevezett molekuláris gépezet szerkeszti, amely ollóként és ragasztóként is működik a sejtben. Ez az RNS-ből és fehérjéből álló gépezet kivágja az mRNS kód nemkívánatos szakaszait, és összeragasztja a megmaradt szakaszokat. Így jön létre az érett mRNS, amelynek alapján végbemehet a fehérjeszintézis.

Az 1970-es években a kutatók még úgy vélték, hogy egy adott gén egy adott mRNS-t kódol, az pedig egy adott fehérjét. A baktériumok és más egysejtűek esetében ez nagyjából így is van; a soksejtű élőlényekben azonban egy-egy gén egy-egy olyan mRNS-t kódol, amelyek különböző módokon vághatók, így többféle különböző fehérjét kódolhatnak. Ennek a folyamatnak a neve alternatív splicing.

Az alternatív splicing egy leleményes trükk arra, hogy hogyan hozható létre sokféle fehérje viszonylag kevés gén alapján. A Humán Genom Projekt egyik meglepő eredménye az volt, hogy a humán gemon mennyire kevés génből áll. A kutatók körülbelül 100 000 génre számítottak, azonban a valós szám nagyjából 20 000. Ezekből a génekből kiindulva az alternatív splicing révén rengeteg különböző emberi fehérje keletkezik.

Az alternatív splicing megjelenése az eukariótákban valószínűleg felgyorsította az evolúciót. Ily módon egy élőlény új fehérjéket alkothatott anélkül, hogy hosszasan bíbelődött volna új gének kifejlesztésével. Véletlenszerű mutációk eredményeképpen a már létező mRNS-ekben a splicing különféle módokon mehetett végbe. Ezek az alternatív módon szerkesztett mRNS-ek teljesen új fehérjéket kódoltak, amelyek vélhetően vadonatúj sejtszintű folyamatokat irányítottak, felpörgetve az összetett életformák evolúcióját.

Az RNS-gépezetek valószínűleg meghatározó szerepet játszottak az egysejtű életformáktól a többsejtűség felé vezető evolúciós ugrásban.

A többsejtű szervezetek élete egyetlen megtermékenyített petesejttel kezdődik. Ez két sejtre válik szét, amelyek ismét osztódnak... és így tovább. A fejlődő élőlény sejtjei hamarosan más-más feladat ellátására szakosodnak. A növényekben kialakíthatják a levél vagy a gyökér sejtjeit. Állatokban például a vér sejtjeivé vagy idegsejtekké válhatnak. Az emberben körülbelül 200 féle különböző sejttípus fordul elő, és létfontosságú, hogy az emberi embrióban minden sejt a megfelelő helyen és időben jöjjön létre. Azt, hogy mivé válik a sejt, a sejtben működő molekuláris gépezetek – RNS-ek és fehérjék – határozzák meg. A sejtben található RNS- és fehérjemolekulákat pedig azok a transzkripciós (a DNS átírását befolyásoló) faktorok határozzák meg, amelyek ki- és bekapcsolják a géneket.

A jelenkori élőlények embrionális fejlődésén át tanulmányozhatók azok a molekuláris gépezetek, amelyek egykor a többsejtűség kialakulását irányíthatták. A fejlődésbiológusok kedvelt vizsgálati alanya az ecetmuslica. A muslicák fejlődésében fontos szerepet játszó RNS neve bicoid. Ez kulcsszerepet játszik a fejlődő muslica testalkatának kialakításában. A muslica megtermékenyítetlen petesejtjében a bicoid RNS a petesejtnek azon a végén helyezkedik el, amelyikből a légy feje alakul ki. Amikor a petesejt megtermékenyül, a bicoid RNS-ről egy fehérje szintetizálódik. Ez a bicoid fehérje bekapcsolja a fej képződésében részt vevő fehérjéket kódoló géneket, és kikapcsolja a farok képződéséért felelős fehérjéket kódoló géneket. A bicoid tehát azt közli a muslicaembrióval, hogy pontosan hol növesszen fejet.