RNA-Welt-Hypothese

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RNA (links) und DNA (rechts) im Vergleich.
Strukturmodell eines Ribozyms, eines Bestandteils der RNA-Welt-Hypothese, mit abschnittsweise gepaarten Strängen

Die RNA-Welt-Hypothese besagt, dass unseren heutigen Lebensformen eine Welt vorausging, deren Leben auf Ribonukleinsäuren (RNA) als universellen Bausteinen zur Informationsspeicherung und zur Katalyse chemischer Reaktionen basierte. Im Rahmen dieser Hypothese wird angenommen, dass freie oder zellgebundene RNA im Rahmen der Evolution vom chemisch stabileren Informationsspeichermedium Desoxyribonukleinsäure (DNA) und von den funktionell flexibleren Proteinen abgelöst beziehungsweise um diese ergänzt wurde.

Die RNA-Welt-Hypothese ist ein Bindeglied zwischen den Hypothesen der chemischen Evolution, welche die Entstehung organischer Moleküle aus anorganischen Verbindungen erklären, und der Kooperation mehrerer RNAs, die eine biologische Selektion in Gang bringen,[1] sowie der heutigen biologischen Evolution auf Basis eines DNA-Genoms. Das Aufkommen zellulärer Lebensformen steht möglicherweise nicht am Ende dieses Prozesses, denn zelluläre Organismen auf RNA-Basis (Ribozyten) könnten bereits in der RNA-Welt entstanden sein.[2]

Als ein Hinweis auf die Existenz der RNA-Welt werden Ribozyme (katalytisch aktive RNA) angesehen, die als chemische (auch: molekulare) Fossilien evolutionäre Überbleibsel aus dieser Anfangszeit darstellen könnten (ähnlich Lebenden Fossilien); ein Beispiel dafür ist die ribosomale RNA (rRNA). Einen weiteren Hinweis gibt die Reihenfolge der Biosynthese-Pfade. Die Desoxyribonucleotide, aus denen dei DNA zusammengebaut wird, werden in der Zelle aus Ribonucleotiden, den Bausteinen der RNA, erzeugt, indem die 2'-Hydroxygruppe entfernt wird. Die Zelle muss also erst in der Lage sein, RNA aufzubauen, bevor sie DNA herstellen kann.

Der Hauptunterschied zwischen RNA und DNA ist die Hydroxygruppe an der 2'-Position bei RNA. DNA hat dort stattdessen nur ein weiteres Wasserstoffatom.

Konzept[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Konzept einer postulierten RNA-Welt basiert auf zwei grundlegenden Eigenschaften der RNA. Zum einen dient sie wie die DNA als Medium zur Speicherung von Erbinformationen. Andererseits sind RNA wie auch Proteine in der Lage, chemische Reaktionen zu katalysieren.

Entstehung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Grundlage für die Entwicklung der RNA-Welt-Hypothese lässt sich auf die Ergebnisse des Miller-Urey-Experiments zurückführen. In diesem Experiment konnte gezeigt werden, dass unter den Bedingungen, die vor über drei Milliarden Jahren auf der Erde herrschten (frühes Präkambrium), organische Verbindungen aus anorganischen Substanzen entstehen konnten.[3][4] Wenngleich die RNA ein sehr komplexes Molekül ist, welches aus Ribonukleotid-Einheiten besteht, die wiederum Kondensationsprodukte der Ribose, einer Nukleinbase und Phosphat sind, gilt ihre abiotische Entstehung in der Ursuppe als möglich. Zwar ist eine direkte Kondensation katalytisch sehr aufwändig und daher unwahrscheinlich für eine abiotische Entstehung, jedoch konnte experimentell gezeigt werden, dass aus den einfachen Molekülen Cyanamid, Cyanoacetylen, Glycolaldehyd, Glyceraldehyd und Phosphat, welche mögliche Bestandteile der Ursuppe waren, in wenigen Reaktionsschritten Pyrimidinribonukleotide gebildet werden können.[5] Die komplexeren Purinnukleoside konnten mit kleinen Molekülen wie sie heute noch auf Kometen zu finden sind über den Formamidopyrimidin (FaPy) Reaktionspfad hergestellt werden.[6]

Interessanterweise ist Phosphat in dieser Reaktion nicht nur als Ausgangsstoff (Edukt) bei der Veresterung des Nukleosids zum Nukleotid von Bedeutung. Vielmehr scheint die Anwesenheit von Phosphat selektiv gleich mehrere Teilschritte der Reaktion zu steuern, indem es z. B. als pH-Puffer und Katalysator mit nukleophilen Eigenschaften fungiert. Dadurch wird die kombinatorische Vielfalt unterdrückt, so dass kaum unerwünschte Nebenprodukte auftreten.[5]

Informationsspeicherung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Auf Grund ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften wird die RNA für das ältere Speichermedium für Erbinformationen gehalten als die DNA. So kann beispielsweise der RNA-Baustein Ribose im Gegensatz zur Desoxyribose der DNA leicht durch eine Aldolkondensation gebildet werden. Wie die DNA ist auch die RNA in der Lage, sich zu doppelsträngigen Makromolekülen zusammenzulagern. Für eine Langzeitspeicherung von Informationen jedoch ist die RNA der DNA unterlegen, da RNA fehleranfällig und somit energieintensiv ist.

Katalyse[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Mit der Entdeckung, dass die ribosomale RNA des Wimpertierchens Tetrahymena sich selbst spleißen kann, wurde 1982 erstmals der Nachweis katalytischer Eigenschaften von Ribonukleinsäuren (Ribozyme) erbracht.[7] Im Prinzip kann fast jede Nukleinsäure unter geeigneten Bedingungen in eine katalytische Sequenz evolvieren. Insbesondere für die DNA ist dies unter Laborbedingungen gelungen (so genannte Desoxyribozyme, auch DNAzyme). In der Natur wurde dies aber noch nicht beobachtet.[8] Dagegen konnten RNA-Moleküle entdeckt werden, die wichtige Bestandteile des Zellstoffwechsels, einschließlich ihrer eigenen Bausteine, produzieren[9] und sogar solche, die zur identischen Vervielfältigung (Replikation)[10][11] befähigt sind.

Im Rahmen der RNA-Welt-Hypothese wird angenommen, dass Ribozyme, die zur Übersetzung ihrer Erbinformation durch Synthese von Proteinen (Translation) befähigt waren, den Siegeszug der Proteine als Funktionsträger einleiteten. Proteine sind der RNA bezüglich ihrer katalytischen Fähigkeiten und der Katalysegeschwindigkeit überlegen.[2] Diese Annahme wurde durch die Entdeckung gestützt, dass die wichtigen katalytischen Zentren der Ribosomen von RNA und nicht, wie vorher angenommen, von Proteinen gestellt werden.[12]

Zelluläre RNA[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Für die Entwicklung der RNA-Welt unter den Bedingungen der Darwinschen Evolution wird eine Kompartimentierung als wichtige Voraussetzung angesehen.[13] Es wird angenommen, dass sich diese ersten von einer Zellmembran umgebenen RNA-basierten hypothetischen Lebensformen, die Ribozyten, rasch weiterentwickelten und elementare Zellfunktionen, wie den Stofftransport durch die Zellmembran und die Zellform steuern konnten.[2]

Zwei Zeitalter der RNA-Welt[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Moderne Ribosomen (die Protein-Fabiken der Zelle) sind aus ribosomaler RNA (rRNA) und Proteinen (rProtein) aufgebaut. Die Proteine scheinen hierbei nur eine Hilfsfunktion zu haben, welche die Übersetzung der Messenger-RNA (mRNA) in ein Protein schneller und/oder sicherer machen, im Prinzip reicht die rRNA als Ribozym für diesen Vorgang aus. Die RNA-Welt kann danach in zwei Zeitalter unterteilt werden: Eine frühe Phase ohne Ribosomen (Primoriale RNA-Welt, mit kurzen Peptidketten abiotischen Ursprungs aus der Ursuppe), und eine spätere mit Protein-Biosynthese durch Ribosomen (RNP-Welt, Ribonukleoprotein). Dazwischen fällt die Entstehung und Evolution des Genetischer Code.[14] Als die Organismen auf die so erzeugten Proteine angewiesen waren, musste die Evolution des Genetischen Codes (weitestgehend) abgeschlossen sein, da eine Änderung des Codes eine Änderung und mögliche Funktionsunfähigkeit fast aller erzeugten Proteine bedeutet. Heute werden daher auch nur noch sehr geringe natürliche Abweichungen des Genetischen Codes beobachtet.[15][16][17]

Prä-RNA-Welt[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Da die RNA ein bereits sehr komplexes Molekül ist, wurden alternative und ergänzende Hypothesen zur Entwicklung des Lebens auf der Erde entwickelt. Diese schließen insbesondere eine mögliche Rolle von Proteinoiden, Peptid-Nukleinsäuren (PNA), Threose-Nukleinsäuren (TNA)[18] und Glycerol-Nukleinsäuren (GNA)[19] ein. Sie werden als mögliche Vorgänger der RNA angesehen, da sie chemisch einfacher gebaut sind. Für Peptid-Nukleinsäuren konnte nachgewiesen werden, dass sie sich selbst replizieren und als Vorlage der RNA dienen können.[20] Eine Entstehung von Peptid-Nukleinsäuren in der Ursuppe gilt als möglich.[21] Auch die in der Ursuppe vermuteten polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAHs) werden als mögliche Vorgänger der RNA angesehen.[22]

Folgende Hypothesen wurden diskutiert, die andere Nukeinsäure-Welten (Xeno-Nukleinsaüren, XNA) als Vorgänger einer RNA-Welt vorschlagen:

Alternativhypothesen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

RNA-Peptide-Koevolution[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein anderer Vorschlag ist, dass das heutige duale System, in dem Nukleinsäuren benötigt werden, um Proteine herzustellen, und Moleküle auf Proteinbasis umgekehrt die Nukleinsäuren verketten, die ursprüngliche Form des Lebens darstellt. [23] Diese Hypothese wird RNA-Peptid-Koevolution genannt,[24] oder auch Peptid-RNA-Welt. Gewissermaßen handelt es sich hier um eine RNP-Welt von Anfang an. Die Hypothese könnte die schnelle Evolution der Genauigkeit der RNA-Replikation erklären, da die Proteine wie in rezenten Ribosomen als Katalysatoren wirken. Sie setzt allerdings die gleichzeitige Entstehung zweier komplexer Moleküle (Peptid als Enzym und RNA als Träger der Erbinformation) voraus. [25] Allerdings zeigen die verschiedenen Ursuppen-Experimente, dass kurze Peptidketten (Oligopeptide) bereits in der Anfangszeit der Chemischen Evolution entstehen konnten. [26] [27]

Panspermie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die alternative Hypothese der Panspermie stellt eine weitere mögliche Erklärung der Entstehung der komplexen Formen unseres Lebens dar. Diese weitgehend als reine Spekulation betrachtete Theorie besagt, dass sich einfache Lebensformen über große Distanzen durch das Universum bewegten oder gebracht wurden und so die Anfänge des Lebens auf die Erde markierten. Da allerdings die Frage nach der Entstehung des Lebens hierdurch einfach nur von der Erde an irgendeinen anderen Ort im Universum verschoben wird, bietet diese Hypothese letztlich keinerlei grundlegende Erklärung an.[28]

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Ursprünge der RNA-Welt-Hypothese lassen sich auf die 1953 veröffentlichten die Beobachtungen aus dem Miller-Urey-Experiment zurückführen, welches die Möglichkeit der Entstehung organischer Moleküle in der Uratmosphäre belegt.[3][4] In seinem Buch „The Genetic Code“ stellte 1967 Carl Woese die Hypothese eines auf RNA basierenden einfachen Lebens vor.[29] Auch Leslie Orgel beschrieb 1968 die RNA als eine wichtige Stufe in der Evolution.[30] Der Begriff der „RNA-Welt“ wurde erstmals 1986 von Walter Gilbert gebraucht[31] und hat sich seitdem etabliert.

Chemische Evolution von RNA[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Spiegelmans Monster

Sol Spiegelman zeigte im Jahr 1965, dass sich RNA Moleküle in einer abiotischen Umgebung dynamisch entwickeln können, und evolutionär an ihre Umwelt anpassen. In der Arbeitsgruppe von Manfred Eigen wurde in darauf folgenden Jahren gezeigt, dass diese Moleküle auch spontan aus einer Mischung von Nukleotiden entstehen können.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Nilesh Vaidya, Michael L. Manapat, Irene A. Chen, Ramon Xulvi-Brunet, Eric J. Hayden: Spontaneous network formation among cooperative RNA replicators. In: Nature. Band 491, Nr. 7422, S. 72–77, doi:10.1038/nature11549 (nature.com).
  2. a b c Yarus M: Primordial genetics: phenotype of the ribocyte. In: Annu. Rev. Genet.. 36, 2002, S. 125–51. doi:10.1146/annurev.genet.36.031902.105056. PMID 12429689.
  3. a b Miller SL: Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions. (PDF) In: Science. 117, Nr. 3046, Mai 1953, S. 528. doi:10.1126/science.117.3046.528. PMID 13056598.
  4. a b Miller SL, Urey HC: Organic Compound Synthesis on the Primitive Earth. In: Science. 130, Nr. 3370, Juli 1959, S. 245. doi:10.1126/science.130.3370.245. PMID 13668555.
  5. a b Powner MW, Gerland B, Sutherland JD: Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions. In: Nature. 459, Nr. 7244, Mai 2009, S. 239–42. doi:10.1038/nature08013. PMID 19444213.
  6. Sidney Becker, Ines Thoma, Amrei Deutsch, Tim Gehrke, Peter Mayer: A high-yielding, strictly regioselective prebiotic purine nucleoside formation pathway. In: Science. Band 352, Nr. 6287, 13. Mai 2016, ISSN 0036-8075, S. 833–836, doi:10.1126/science.aad2808, PMID 27174989 (sciencemag.org [abgerufen am 15. Juni 2016]).
  7. Kruger K, Grabowski PJ, Zaug AJ, Sands J, Gottschling DE, Cech TR: Self-splicing RNA: autoexcision and autocyclization of the ribosomal RNA intervening sequence of Tetrahymena. In: Cell. 31, Nr. 1, November 1982, S. 147–57. PMID 6297745.
  8. Gysbers R, Tram K, Gu J, Li Y: Evolution of an Enzyme from a Noncatalytic Nucleic Acid Sequence. In: Scientific Reports. 5, 2015, S. 11405. doi:10.1038/srep11405. PMID 26091540. PMC 4473686 (freier Volltext).
  9. Unrau PJ, Bartel DP: RNA-catalysed nucleotide synthesis. In: Nature. 395, Nr. 6699, September 1998, S. 260–3. doi:10.1038/26193. PMID 9751052.
  10. Johnston WK, Unrau PJ, Lawrence MS, Glasner ME, Bartel DP: RNA-catalyzed RNA polymerization: accurate and general RNA-templated primer extension. In: Science. 292, Nr. 5520, Mai 2001, S. 1319–25. doi:10.1126/science.1060786. PMID 11358999.
  11. Lincoln TA, Joyce GF: Self-sustained replication of an RNA enzyme. In: Science. 323, Nr. 5918, Februar 2009, S. 1229–32. doi:10.1126/science.1167856. PMID 19131595. PMC 2652413 (freier Volltext).
  12. Yusupov MM, Yusupova GZ, Baucom A, et al.: Crystal structure of the ribosome at 5.5 A resolution. In: Science. 292, Nr. 5518, Mai 2001, S. 883–96. doi:10.1126/science.1060089. PMID 11283358.
  13. Szostak JW, Bartel DP, Luisi PL: Synthesizing life. In: Nature. 409, Nr. 6818, Januar 2001, S. 387–90. doi:10.1038/35053176. PMID 11201752.
  14. P. Forterre: The two ages of the RNA world, and the transition to the DNA world: a story of viruses and cells, in: NCBI PubMed Biochimie, 2005 Sep-Oct;87(9-10):793-803. Epub vom 12. April 2005, doi:10.1016/j.biochi.2005.03.015
  15. N. A. Kovacs et al.: Frozen in Time - The History of Proteins, in: NCBI PMC 5400399 (freier Volltext) 34(5): 1252–1260 vom 15. Februar 2017, doi:10.1093/molbev/msx086
  16. Thomas R. Cech: The RNA Worlds in Context, in: NCBI PMC 3385955 (freier Volltext) Cold Spring Harb Perspect Biol. 4(7) vom Juli 2012, doi:10.1101/cshperspect.a006742
  17. Peter T.S. van der Gulik at al.: How Amino Acids and Peptides Shaped the RNA World, in: NCBI PMC 4390850 (freier Volltext) Life (Basel) 5(1): 230–246, März 2015, doi: 10.3390/life5010230
  18. Schöning K, Scholz P, Guntha S, Wu X, Krishnamurthy R, Eschenmoser A: Chemical etiology of nucleic acid structure: the alpha-threofuranosyl-(3'→2') oligonucleotide system. In: Science. 290, Nr. 5495, November 2000, S. 1347–51. PMID 11082060.
  19. Zhang L, Peritz A, Meggers E: A simple glycol nucleic acid. In: J. Am. Chem. Soc.. 127, Nr. 12, März 2005, S. 4174–5. doi:10.1021/ja042564z. PMID 15783191.
  20. Böhler C, Nielsen PE, Orgel LE: Template switching between PNA and RNA oligonucleotides. In: Nature. 376, Nr. 6541, August 1995, S. 578–81. doi:10.1038/376578a0. PMID 7543656.
  21. Nelson KE, Levy M, Miller SL: Peptide nucleic acids rather than RNA may have been the first genetic molecule. In: Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 97, Nr. 8, April 2000, S. 3868–71. PMID 10760258. PMC 18108 (freier Volltext).
  22. Ehrenfreund P, Rasmussen S, Cleaves J, Chen L: Experimentally tracing the key steps in the origin of life: The aromatic world. In: Astrobiology. 6, Nr. 3, Juni 2006, S. 490–520. doi:10.1089/ast.2006.6.490. PMID 16805704.
  23. Kunin V: A system of two polymerases--a model for the origin of life. In: Origins of Life and Evolution of the Biosphere. 30, Nr. 5, Oct 2000, S. 459–66. bibcode:2000OLEB...30..459K. doi:10.1023/A:1006672126867. PMID 11002892.
  24. Pascal, Robert (2007): A scenario starting from the first chemical building blocks, in: Muriel Gargaud, Jaques Reisse et al.: From Suns to Life: A Chronological Approach to the History of Life on Earth, Springer Science & Business Media 2007, Seiten 163-166, ISBN 0-387-45083-1
  25. Challenging Assumptions About the Origin of Life. In: Astrobiology Magazine. 18. September 2013. Abgerufen am 7. Mai 2014.
  26. Charles W. Carter, Jr.: What RNA World? Why a Peptide/RNA Partnership Merits Renewed Experimental Attention, in: MDPI Life (Basel), März 2015, 5(1), Seiten 294–320, doi: 10.3390/life5010294
  27. Peter T.S. van der Gulik et al.: How Amino Acids and Peptides Shaped the RNA World, in: Life, Januar 2015, 5, Seiten 230-246; doi:10.3390/life5010230
  28. Crick FH, Orgel LE: Directed Panspermia. In: Icarus. 19, 1973, S. 341–348.
  29. Woese C: The basic nature of the genetic code. In:The Genetic Code. Harper & Row, January 1967, ISBN 978-0-06-047176-7, S. 150-178.
  30. Orgel LE: Evolution of the genetic apparatus. In: J. Mol. Biol.. 38, Nr. 3, Dezember 1968, S. 381–93. PMID 5718557.
  31. Gilbert W: The RNA World. In: Nature. 319, Februar 1986, S. 618. doi:10.1038/319618a0.