고대 RNA 코드를 이용해 생명의 비밀을 밝히다

살릭 학자들이 밝히다 RNA 분자 수준에서 다윈의 진화를 가능하게 하고 연구자들이 실험실에서 자율적인 RNA 생명을 생산하는 데 더 가까이 다가갈 수 있도록 하는 기능입니다.

찰스 다윈은 진화를 “변형을 통한 혈통”으로 묘사했습니다. 형태의 유전 정보 DNA 시퀀스는 세대에서 세대로 복사되고 전송됩니다. 그러나 이 과정은 시간이 지남에 따라 유전자의 미묘한 변이가 나타나고 새로운 특성이 인구 집단에 도입될 수 있도록 어느 정도 유연해야 합니다.

그런데 이 모든 일은 어떻게 시작되었나요? 세포, 단백질, DNA가 존재하기 오래 전에 생명의 기원에서 비슷한 종류의 진화가 더 단순한 규모로 일어날 수 있었을까요? 소크의 동료인 레슬리 오길(Leslie Orgill)을 포함한 1960년대 과학자들은 작은 가닥으로 묶인 RNA 분자가 초기 지구를 지배하고 다윈주의 진화의 역학을 확립했던 가상의 시대인 “RNA 세계”에서 생명이 시작되었다고 제안했습니다.

저충실도 폴리머라제에 의해 전사된 귀상어 서열은 원래 RNA 서열(상단)에서 멀어지고 시간이 지남에 따라 그 기능을 잃습니다. HD 폴리머라제에 의해 촉매되는 귀상어는 기능을 유지하고 보다 적절한 서열을 진화시킵니다(하단). 크레딧: 솔크 연구소

초기 발달에서 RNA의 역할에 대한 선구적인 연구

Salk Institute의 새로운 연구는 이제 생명의 기원에 대한 새로운 통찰력을 제공하여 RNA 세계 가설을 뒷받침하는 강력한 증거를 제공합니다. 에 발표된 연구 미국국립과학원회보(PNAS) 2024년 3월 4일, 그는 다른 기능성 RNA 가닥의 정확한 복사본을 만들 수 있는 동시에 시간이 지남에 따라 분자의 새로운 변이체가 나타날 수 있는 RNA 효소를 공개했습니다. 이러한 놀라운 능력은 최초의 진화 형태가 RNA의 분자 수준에서 발생했을 수 있음을 시사합니다.

이 결과는 또한 과학자들이 실험실에서 RNA 기반 생명체를 재현하는 데 한 걸음 더 가까워지도록 해준다. 실험실에서 이러한 원시 환경을 모델링함으로써 과학자들은 지구 또는 다른 행성에서 생명이 어떻게 시작되었는지에 대한 가설을 직접 테스트할 수 있습니다.

수석 저자이자 솔크 재단(Salk Foundation)의 제럴드 조이스(Gerald Joyce) 회장은 “우리는 진화의 새벽을 쫓고 있습니다.”라고 말합니다. “RNA의 이러한 새로운 능력을 밝혀냄으로써 우리는 생명 자체의 잠재적인 기원과 단순한 분자가 오늘날 우리가 보고 있는 생명의 복잡성과 다양성을 위한 길을 열 수 있었는지 밝히고 있습니다.”

산점도는 여러 차례의 진화에 걸쳐 귀상어 개체군의 진화를 보여줍니다. 저충실도 폴리머라제(52-2)에 의해 전사된 귀상어는 원래 RNA 서열(흰색 선)에서 멀어져 기능을 잃습니다. 새로운 고충실도 폴리머라제(71-89)에 의해 전사된 귀상어는 기능을 유지하며 시간이 지남에 따라 새로운 기능 서열이 나타납니다. 크레딧: 솔크 연구소

RNA의 고유한 기능과 복제 충실도 추구

과학자들은 DNA를 사용하여 현대 식물과 동물의 진화 역사를 가장 오래된 단세포 유기체까지 추적할 수 있습니다. 그러나 그 전에 무슨 일이 일어났는지는 불분명하다. 이중 가닥 DNA 나선은 유전 정보를 저장하는 데 적합합니다. 이들 유전자 중 다수는 궁극적으로 세포를 살아있게 하기 위해 모든 종류의 기능을 수행하는 복잡한 분자 기계인 단백질을 코딩합니다. RNA를 독특하게 만드는 것은 이들 분자가 두 가지 모두를 할 수 있다는 것입니다. 이는 DNA와 유사한 확장된 뉴클레오티드 서열로 구성되지만, 단백질과 같이 반응을 촉진하는 효소로도 기능할 수 있습니다. 그렇다면 RNA가 우리가 알고 있는 생명의 전조가 될 수 있을까요?

Joyce와 같은 과학자들은 다른 RNA 가닥의 복사본을 만들 수 있는 RNA 분자인 RNA 중합효소 리보자임에 특히 초점을 맞춰 수년 동안 이 아이디어를 탐구해 왔습니다. 지난 10년 동안 Joyce와 그의 팀은 더 큰 분자를 복제할 수 있는 새로운 버전을 생산하기 위해 방향성 진화의 한 형태를 사용하여 실험실에서 RNA 중합효소 리보자임을 개발해 왔습니다. 그러나 대부분은 치명적인 결함을 안고 있습니다. 즉, 시퀀스를 충분히 높은 수준으로 복제할 수 없다는 것입니다. 정확성. 여러 세대에 걸쳐 너무 많은 오류가 서열에 도입되어 결과적인 RNA 가닥이 더 이상 원래 서열과 닮지 않고 그 기능이 완전히 상실됩니다.

지금까지. 최신 실험실에서 개발된 RNA 중합효소 리보자임에는 훨씬 더 충실하게 RNA 가닥을 복사할 수 있는 여러 가지 중요한 돌연변이가 있습니다.

왼쪽부터: 데이비드 호닝, 제럴드 조이스, 니콜라오스 파파스타브로. 크레딧: 솔크 연구소

이 실험에서 전사되는 RNA 가닥은 다른 RNA 분자를 조각으로 분해하는 작은 분자인 “해머헤드(hammerhead)”입니다. 연구자들은 RNA 중합효소 리보자임이 기능성 망치머리를 정확하게 복제했을 뿐만 아니라 시간이 지남에 따라 망치머리의 새로운 변형이 나타나기 시작했다는 사실을 발견하고 놀랐습니다. 이 새로운 변종은 비슷하게 수행되었지만 돌연변이로 인해 번식이 더 쉬워졌으며 이로 인해 진화적 적합성이 향상되었고 결국 실험실에서 귀상어 개체군을 지배하게 되었습니다.

Joyce 연구실의 연구원이자 제1저자인 Nikolaos Papastavrou는 “우리는 생명이 시작될 때 얼마나 단순한지, 그리고 언제 스스로 개선할 수 있는 능력을 획득했는지 오랫동안 궁금해해 왔습니다.”라고 말했습니다. “이 연구는 진화의 시작이 매우 초기에 매우 단순했을 수 있음을 시사합니다. 개별 분자 수준의 무언가가 다윈주의적 진화를 촉진했을 수 있으며, 이것이 생명이 분자에서 분자로 이동하면서 더욱 복잡해지게 하는 불꽃이 되었을 수도 있습니다. 세포에서 유기체로.” 다세포.

결과는 진화를 가능하게 하는 복제 충실도의 중요성을 강조합니다. RNA 폴리머라제 전사의 충실도는 여러 세대에 걸쳐 유전 정보를 유지하기 위해 중요한 임계값을 초과해야 하며, 진화하는 RNA의 크기와 복잡성이 증가함에 따라 이 임계값도 높아졌을 것입니다.

RNA 연구와 자립생활의 미래

Joyce 팀은 언젠가 스스로 복제할 수 있는 RNA 중합효소를 생산한다는 목표를 가지고 더 나은 성능의 중합효소를 생성하기 위해 시스템에 증가하는 선택 압력을 적용하여 실험실 시험관에서 이 과정을 재현하고 있습니다. 이는 실험실에서 자율적 RNA 생명의 시작을 의미하며, 연구자들은 향후 10년 내에 이를 달성할 수 있다고 말합니다.

과학자들은 또한 작은 “RNA 세계”가 더 많은 독립성을 얻게 되면 무슨 일이 일어날지 관심을 갖고 있습니다.

“우리는 선택 압력이 기존 기능을 갖춘 RNA를 향상시킬 수 있다는 것을 확인했습니다. 하지만 시스템이 더 큰 RNA 분자 세트로 더 오래 진화하도록 허용한다면 새로운 기능이 발명될 수 있을까요?” 공동 저자이자 Joyce 연구실의 과학자인 David Horning은 말합니다. “여기 Salk에서 개발된 도구를 사용하여 초기 생명체가 어떻게 복잡성을 증가시킬 수 있었는지 답변하게 되어 기쁩니다.”

Joyce 연구실에서 사용된 방법은 또한 지구와 다른 행성 모두에서 RNA 진화를 가장 잘 뒷받침할 수 있는 환경 조건을 포함하여 생명의 기원에 대한 다른 아이디어를 테스트하는 미래의 실험을 위한 길을 열어줍니다.

참고 자료: Nikolaos Papastavrou, David P. Horning 및 Gerald F. Joyce의 “Evolution of RNA-catalyzed RNA”, 2024년 3월 4일, 국립과학원(National Academy of Sciences)의 간행물.
도이: 10.1073/pnas.2321592121

이전에 지원되었던 작업입니다. NASA (80NSSC22K0973) 및 Simons 재단(287624).