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# 生物学# 進化生物学

初期RNAネットワークの進化

初期RNAシステムの起源とダイナミクスを探る。

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RNAネットワークと初期のRNAネットワークと初期の生命作用を調査中。生命の起源におけるRNAの動態と分子相互
目次

無生物から生物システムへの旅は39億年以上前に始まった。このプロセスには、段階的に起こるべきいくつかの重要な変化が含まれていた。これらの変化の中には、分子の対称性を壊すこと、分子の長い鎖を自発的に形成すること、そしてこれらの分子を収容する区画を作ることが含まれている。この分野の2つの重要なアイデアは、触媒的閉鎖閾値と、複製エラーが高すぎると、最良の複製分子でも生き残れないという考え方だ。

初期の生命がどのように形成されたかの重要な概念の一つは「RNAワールド」仮説だ。この考えは、最初の情報分子がRNAでできていて、触媒としても機能していたことを示唆している。50年以上前に発展した自己触媒セットの理論は、これらのセットがどのように自力で複製を促進できるかを説明している。実験では、RNA断片が協調反応を通じて自己複製システムを形成することができることが示されている。研究によると、3つのRNA分子のネットワークは急速かつ効率的に成長できることがわかった。

並行して、科学者たちは実験室の進化を通じて、ますます効果的なRNAポリメラーゼを開発してきた。これらの酵素は高い効率を示し、特定の反応パターンに従った。最終的に、1つのRNAポリメラーゼリボザイムがエラー閾値を超えて、自分自身を何度も効果的に複製することに成功した。理論的アイデアと実際の実験の両方が、RNAが徐々に自己触媒的になっていったという考えを支持している。

RNAポリメラーゼ

リボザイムによって行われるRNAポリメラーゼのプロセスは、たんぱく質からできたポリメラーゼよりもエラー率が高いことが知られているが、これには正確さをチェックする機能が欠けていることが多い。これが、準種と呼ばれる変異体につながる。さまざまな変異体の存在は、エネルギー効率や生存に関連した分子寄生虫が存在したことを示唆している。これらの寄生虫に対抗するために、空間で分子を整理したり、脂質層のようなバリアを作って前駆細胞を形成する2つの主な方法が浮上している。研究によれば、RNA複製体はおそらくこれらの前駆細胞で見つかったと考えられている。

触媒は生命にとって重要だから、ミカエリス・メンテンモデルはこれらのプロセスを理解するのに役立つ。このモデルは、初期のRNAコミュニティの中で分子がどのように相互作用したかを調べるのに役立つ。これは、分子の寄生虫に対する抵抗力と原始的な防御システムがどのように発展していったのかに焦点を当てている。

酵素動力学の役割

酵素動力学は、生物システムを理解するための基盤となる。酵素と基質の相互作用は、提示されたモデルの基礎を形成している。以前に知られている数学的な枠組みを適用することで、研究は寄生虫に対する抵抗の段階的な出現を探求している。このモデルは、効率的な自己複製が可能なリボザイムポリメラーゼから始まり、RNAのネットワークがどのように分子寄生虫に応じて進化するかに進む。

これらのモデルでは、RNAポリメラーゼのようなリボザイムの振る舞いが重要な役割を果たす。これらのリボザイムがDNAテンプレートを複製するにつれて、その濃度は時間とともに変化する。十分なビルディングブロックが存在すると、リボザイムの個体数は急速に増加し、安定した状態に達する。

分子寄生虫の影響

分子寄生虫は複製プロセスの避けられない一部であり、正確さと速度に関連するため、すべての生物形態で類似している。速い酵素が基質に結合するほど、エラーが起こる可能性が高くなる。一般的に、酵素は基質が拡散する速度よりもかなり遅く動作するため、速度と正確さの間にトレードオフが生じる。つまり、小さな寄生虫はより早く複製され、より豊富になる傾向がある。

分子寄生虫が侵入すると、元のリボザイムは競争に苦しむ。もし寄生虫が異なる環境から入ってくると、その支配がさらに早くなる。時間が経つにつれて、高い寄生虫の数が宿主システムを圧倒し、解決策を急募する必要が生じる。

ハイパーパラサイトの出現

触媒で満ちた世界では、ハイパーパラサイトは既存の状況の自然な派生物として現れる。元のリボザイムポリメラーゼは自分のRNAだけでなく、より豊富な小さな寄生虫も増幅する。これらの触媒の高い突然変異率により、元の寄生虫に影響を与えるハイパーパラサイトが生成される。選択は小さいハイパーパラサイト分子を優先する傾向がある。

モデルは、ハイパーパラサイトがこの急速に変化する環境を利用できることを示唆しており、素早く成長し、生態系を支配する状態に至る。だが、これらのハイパーパラサイトが成功するためには、宿主に対するより特異的な結合能力を獲得する必要がある。ハイパーパラサイトの効率が向上することで、元のRNA集団が支配していた環境で繁栄できるようになる。

RNAネットワークのモデル化

数学的モデルは、これらのRNAネットワークがどのように進化していくかを説明するのに役立つ。目標は、安定したネットワークを創出する条件を特定することだ。このモデルは数値的な値を使用して予測を行うが、外部の実験システムに直接結びつけるものではない。モデルで行われる仮定は、これらの初期のRNAシステムの予想される振る舞いに基づいている。

基本的なモデルは、リボザイムが自分自身を継続的に複製できることを前提としているが、十分なビルディングブロックが利用可能であると仮定している。宿主リボザイムと新たに出現する寄生虫との相互作用は、安定性と進化を探求する枠組みを提供する。

惨事的結果のバランス

宿主リボザイムと侵入する寄生虫のバランスは、常に変化する生態系を反映している。分子寄生主義のプロセスはこのダイナミックに不可欠であり、リボザイムの小さな突然変異が寄生虫の出現につながる可能性がある。これらの寄生虫がより効率的になるにつれて、既存の複製サイクルを乱す。

モデル化を通じて、ハイパーパラサイトもこのシステムから進化している様子が見られる。複製にはあまり効率的ではないが結合には優れているハイパーパラサイトは、しばしば生態系の新たな配置をもたらす。全体の効果として、寄生圧が高まっても、宿主集団は反応的な適応を通じて安定化できることがある。

自己結合の役割

実験的証拠は、自己結合が宿主と寄生虫の触媒の両方に共通した振る舞いであることを支持している。集団が分岐するにつれて、自己結合の可能性が高まり、交差反応の可能性が低くなる。この傾向は、類似した分子構造を持つ生物が互いに相互作用しやすいという考えに沿っている。

2つの可能なシナリオが生じる:寄生虫が突然変異により複製能力を失い、その後特異性を獲得するか、最初は高い結合能力を持ちながら迅速に複製特性を失うか。どちらの道を選んでも、これらのモデルはRNAコミュニティの中での動的なバランスを示している。

進化への影響

これらの発見は、分子システムが内部と外部の圧力に応じてどのように進化できるかに対する洞察を提供する。寄生主主義とハイパー寄生主主義の出現は、初期の生命システムの複雑さと、それに対する適応と抵抗力を示している。ハイパーパラサイトの存在は、生物における免疫の発展としばしば相関関係がある。

バクテリアやウイルスから大きな細胞システムに至るまで、宿主、寄生虫、ハイパーパラサイトの三者モデルは、観察された相互作用を説明することができる。この理解は、原始的な免疫応答が出現する可能性と複雑な分子構造の発展に寄与することを示している。

結論

初期のRNAネットワーク、酵素動力学、寄生虫とハイパーパラサイトの役割を研究することは、生命の起源を理解するうえで重要な部分を成す。これらのシステムがどのように相互作用し、進化するかを分析することで、我々は生物体の基本的なメカニクスについての洞察を得る。RNA集団のダイナミックな性質は、適応と回復力の豊かな歴史を反映しており、今日の世界を形作っている。

これらの分子コミュニティ内の相互作用は、過去を明らかにするだけでなく、現代の生物システムにおける進行中のプロセスを示唆している。科学が進展するにつれて、これらの初期の生命モデルを探求することは、地球上の多様な生命のタペストリーを形成する複雑な経路を明らかにし続けるだろう。

オリジナルソース

タイトル: Biomathematical enzyme kinetics model of prebiotic autocatalytic RNA networks: degenerating parasite-specific hyperparasite catalysts confer parasite resistance and herald the birth of molecular immunity

概要: Catalysis and specifically autocatalysis are the quintessential building blocks of life. Yet, although autocatalytic networks are necessary, they are not sufficient for the emergence of life-like properties, such as self-propagation (replication) and adaptation. The ultimate and potentially fatal threat faced by molecular replicators is parasitism; if the polymerase error rate exceeds a critical threshold, even the fittest molecular species will disappear. Here we have developed an autocatalytic RNA early life mathematical network model based purely on enzyme kinetics, more specifically the steady-state approximation. We confirm previous models showing that these autocatalytic cycles are sustainable, provided there is a sufficient nucleotide pool. However, molecular parasites arise rapidly and become unsustainable unless they sequentially degenerate to hyperparasites (i.e. parasites of parasites). These hyperparasites acquire parasite binding specificity via two distinct temporal pathways. Our model is supported at three levels; firstly, ribozyme polymerases display Michaelis-Menten saturation kinetics and comply with the steady-state approximation. Secondly, ribozyme polymerases are capable of sustainable auto-amplification and of surmounting the fatal error threshold. Thirdly, with growing sequence divergence of host and parasite catalysts, the probability of self-binding increases and the trend towards cross-reactivity diminishes. Our model predicts that primordial host-RNA populations evolved via an arms race towards a host-parasite-hyperparasite catalyst trio that conferred parasite resistance within an RNA replicator niche. As such, it adds another mechanism - whats more, with biochemical precision - by which parasitism can be tamed and offers an attractive explanation for the universal coexistence of catalyst trios within prokaryotes and the virosphere, heralding the birth of a primitive molecular immunity. Author SummaryThe quintessential components of life comprise a potent mixture of naturally occurring, but improbable chemical reactions (catalysis), and the arrangement of such accelerated chemical reactions into closed loops (autocatalytic sets). This is required, but is not sufficient for such networks to self-propagate (amplification of the information carrier = host polymerization) and adapt (Darwinian evolution). As soon as self-propagation is attained, the next hurdle is parasitism. This typically involves shorter molecules (the products of replicative errors) that hitchhike the replicative potential of the host. They will invariably outcompete the regular amplification process, unless a solution is found. We have addressed this problem using a new model based on the mathematics of catalysis. This model confirms previous studies demonstrating that autocatalytic sets become self-sustaining, assuming that a sufficient pool of molecular building blocks is available. However, molecular parasitism is pervasive and potentially fatal for both host and parasite. In our model, we allow these parasites to degenerate in a controlled fashion, giving rise to parasites of parasites (hyperparasites). As long as these hyperparasites acquire binding specificity for parasites, an attenuation of parasitism is observed. These parasite-hyperparasite cycles stabilize the host cycle, explaining why they are conserved, and why they are the likely reason behind the observation that all cellular hosts are associated with parasites (e.g. bacteria) and hyperparasites (e.g. viruses) across all kingdoms of life. Moreover, it provides a novel solution to the usually intractable problem of parasitism.

著者: Bernard Conrad, M. Pirovino, C. Iseli, J. A. Curran

最終更新: 2024-05-18 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.05.14.594066

ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.05.14.594066.full.pdf

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

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