หลักฐานสนับสนุน RNA ที่ทำหน้าที่ทั้งเป็นตัวปรับและตัวนำสารพันธุกรรม

สไลด์ 69 รวบรวม หลักฐานทางอ้อมที่สอดคล้องกัน ว่า RNA สายเดียวสามารถทำหน้าที่พร้อมกันได้ทั้งเป็น ตัวปรับ — ตัวนำพาคล้าย tRNA ที่ส่งกรดอะมิโนให้กับสายโซ่ที่กำลังelongate — และเป็น ตัวนำสารพันธุกรรม — ลำดับคล้าย mRNA ที่สามารถอ่านได้ หากบทบาททั้งสองอยู่ร่วมในโมเลกุลเดียวได้ อุปสรรคระหว่างการจำลองแบบ RNA แบบไฮเปอร์ไซเคิลและการแปลรหัสในยุคเริ่มแรกจะลดลงอย่างมาก ทั้งกลุ่มตัวปรับที่แยกออกมาต่างหาก และในตอนเริ่มแรกสุด เอนไซม์ซินทีเทส ก็ไม่จำเป็นต้องถือกำเนิดขึ้นก่อนที่ข้อความจะถูกถอดรหัสได้

หลักฐานสี่สายที่สอดคล้องกัน

ลำดับและการจัดเรียงโครงสร้างของ tRNA: หน้าที่ของตัวปรับและตัวนำสารพันธุกรรมสามารถอยู่ใน RNA วงศ์เดียวกันได้ — โมเลกุลเดียวทำหน้าที่ทั้งรับ/ส่งต่อกรดอะมิโนและบรรจุข้อมูลลำดับที่อ่านได้
การสังเคราะห์แบบดีโนโวของ Qβ มิดิแวเรียนต์: RNA สามารถเพิ่มจำนวนได้โดยไม่ต้องมีเครื่องมือแปลรหัสอยู่ก่อน ดังนั้นโมเลกุล RNA ขนาดใหญ่เท่า tRNA ที่เพิ่มจำนวนได้อย่างเสถียรจึงเป็นไปได้ก่อนที่การแปลรหัสแบบซับซ้อนจะมีอยู่
สารตั้งต้นเอนไซม์โครงสร้าง β-sheet อย่างง่าย: โปรตีนที่ทำหน้าที่ได้ในยุคแรกไม่จำเป็นต้องมีการพับที่ซับซ้อน เพปไทด์ขนาดเล็กที่สุดก็สามารถให้หน้าที่พื้นฐานได้โดยไม่ต้องมีเอนไซม์ที่พับสมบูรณ์
ความยืดหยุ่นของโครงสร้าง tRNA (hf ↔ FH): บทบาทของตัวปรับและแม่แบบไม่ได้แยกออกเป็นกลุ่ม RNA ที่แตกต่างกันอย่างสมบูรณ์

การสลับ hf ↔ FH

โครงแบบใดในสองแบบจะปรากฏอยู่จริงนั้น ขึ้นอยู่กับว่า tRNA นั้นจับอยู่กับกรดอะมิโนหรือสายเพปไทด์ เมื่อส่งกรดอะมิโนไปยังสายเพปไทด์ tRNA จะพลิกจาก hf ไปเป็น FH โครงแบบ (เทียบรูปที่ 49) แบบจำลองนี้อธิบายได้ดีว่า ในเมื่อไม่มีเครื่องมือแปลรหัสที่ซับซ้อน ข้อความจะถูกอ่านออกมาได้อย่างไร: สายเดียวกันที่ส่งกรดอะมิโนก็เผยลำดับที่อ่านได้ด้วย

คำถามโต้แย้งที่ต้องให้ความสำคัญ

จุดกำเนิดของการแปลรหัสจะจินตนาการได้อย่างไร เมื่อมีโมเลกุล RNA ที่เพิ่มจำนวนได้อย่างเสถียรขนาดเท่า tRNA และมีข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการสังเคราะห์โปรตีนในรูปแบบพื้นฐานจากกรดอะมิโนที่พบได้ทั่วไปเพียงไม่กี่ชนิด คำถามนี้สามารถทำให้คมขึ้นเป็นข้อโต้แย้งได้ว่า: "คำถามนี้อาจตั้งขึ้นในอีกมุมหนึ่งได้ว่า: ทำไมไม่ใช้ตัวปรับที่เป็นโอลิโกนิวคลีโอไทด์ขนาดเล็ก?" แบบจำลองที่ทำหน้าที่คู่ตอบว่า โมเลกุลต้องยาวและมีโครงสร้างเพียงพอที่จะรองรับทั้งการจดจำของตัวปรับและความสามารถในการอ่านของตัวนำสารพันธุกรรม ดังนั้นโอลิโกนิวคลีโอไทด์ขนาดจิ๋วจึงไม่เพียงพอ

ข้อควรระวังในการตีความ

ข้อโต้แย้งเหล่านี้เป็นข้อโต้แย้งเรื่องความเป็นไปได้สำหรับโลก RNA ที่ทำหน้าที่คู่ ไม่ใช่หลักฐานฟอสซิลโดยตรง Qβ มิดิแวเรียนต์เป็นตัวแทนของตัวจำลองแบบในยุคปัจจุบัน สารตั้งต้นโครงสร้าง β-sheet เป็นการอนุมานจากการพับแบบน้อยที่สุด และการสลับ hf/FH เป็นสมมติฐานเชิงกลไกสำหรับการแปลรหัสในยุคแรก มากกว่าจะเป็นหลักฐานโบราณโดยตรง

การสลับ tRNA จาก hf เป็น FH

tRNA สายเดียวที่แสดงในสองสถานะ: hf เมื่อมันพากรดอะมิโนอยู่ และ FH หลังจากกรดอะมิโนนั้นถูกส่งต่อไปยังสายเพปไทด์ เนื่องจากสายเดียวกันยังเผยลำดับที่อ่านได้ บทบาทของตัวปรับ (การจดจำแอนติโคดอน) และบทบาทของตัวนำสารพันธุกรรม (แม่แบบที่อ่านได้) จึงไม่ได้แยกออกเป็นกลุ่ม RNA ที่แตกต่างกัน — ซึ่งเป็นเหตุผลที่ข้อความสามารถถูกอ่านออกมาได้โดยไม่ต้องมีเครื่องมือแปลรหัสที่ซับซ้อน

คำถามข้อ 1

ลำดับและการจัดเรียงโครงสร้างของ tRNA ที่อ้างถึงในสไลด์นี้ถูกใช้เป็นหลักเพื่อสนับสนุนข้อกล่าวอ้างใด?

การแปลรหัสไม่สามารถเริ่มได้จนกว่าจะมีเอนไซม์โปรตีนที่พับสมบูรณ์อยู่ก่อน

โมเลกุล tRNA สั้นกว่า mRNA ในยุคปัจจุบันเสมอ

รหัสพันธุกรรมถูกกำหนดตายตัวก่อนที่การจำลองแบบ RNA จะเกิดขึ้น

หน้าที่ของตัวปรับและตัวนำสารพันธุกรรมสามารถอยู่ใน RNA วงศ์เดียวกันได้

คำถามข้อ 2

การสังเคราะห์แบบดีโนโวของ Qβ มิดิแวเรียนต์แสดงให้เห็นอะไรในข้อโต้แย้งนี้?

เพปไทด์จะพับเป็นโครงสร้าง β-sheet หลังจากที่การแปลรหัสวิวัฒน์ขึ้นแล้วเท่านั้น

tRNA ในยุคโบราณไม่มีห่วงแอนติโคดอน

RNA สามารถเพิ่มจำนวนได้โดยไม่ต้องมีเครื่องมือแปลรหัสอยู่ก่อน

โครงแบบ hf ไม่เสถียรทางเคมีและไม่สามารถคงอยู่ได้

คำถามข้อ 3

ในกลไกที่อธิบาย โครงแบบใดของ tRNA ในสองแบบที่ปรากฏอยู่จริงนั้นขึ้นอยู่กับ:

จำนวนโคดอนที่บรรจุอยู่ในข้อความ

อุณหภูมิของมหาสมุทรในยุคแรกเริ่ม

ว่า tRNA นั้นจับอยู่กับกรดอะมิโนหรือสายเพปไทด์

ว่าซินทีเทสได้วิวัฒน์ขึ้นแล้วหรือไม่

คำถามข้อ 4

เมื่อส่งกรดอะมิโนไปยังสายเพปไทด์ tRNA จะพลิกจาก:

โครงแบบ hf ไปเป็นโครงแบบ FH (เทียบรูปที่ 49)

โครงแบบ FH ไปเป็นโครงแบบ hf

บทบาทตัวปรับไปเป็นบทบาทตัวเร่งปฏิกิริยาล้วน

รูปร่างใบโคลเวอร์ไปเป็นสายคู่เชิงเส้น

คำถามข้อ 5

ข้อโต้แย้ง 'ทำไมไม่ใช้ตัวปรับที่เป็นโอลิโกนิวคลีโอไทด์ขนาดเล็ก?' ได้รับคำตอบที่ดีที่สุดโดยสังเกตว่า:

โอลิโกนิวคลีโอไทด์ขนาดเล็กไม่สามารถสังเคราะห์ได้ในสภาวะพรีไบโอติกไม่ว่าภายใต้เงื่อนไขใด

ตัวปรับต้องสั้นกว่าตัวนำสารพันธุกรรมเสมอเพื่อให้ถูกอ่านได้

เฉพาะไรโบไซม์ที่มีการพับแบบ β-sheet เท่านั้นที่จับกรดอะมิโนได้

แบบจำลองที่ทำหน้าที่คู่ต้องการความยาวและโครงสร้างของ RNA เพียงพอที่จะรองรับทั้งการจดจำของตัวปรับและความสามารถในการเป็นตัวนำสารพันธุกรรม/ลำดับที่อ่านได้

กรณีศึกษา: การสร้าง RNA ที่ทำหน้าที่คู่ขึ้นใหม่

อ่านสถานการณ์ด้านล่างแล้วตอบคำถาม

กลุ่มวิจัยที่สร้างแบบจำลองโลก RNA ยุคแรกเสนอ RNA สายเดียวความยาว 76 นิวคลีโอไทด์ที่ปรับเป็นโครงแบบ hf เมื่อพากรดอะมิโนอยู่ และเป็นโครงแบบ FH เมื่อกรดอะมิโนนั้นถูกส่งต่อไปยังเพปไทด์สั้น ๆ ลำดับของสายเดียวกันนี้ยังอ่านได้เป็นข้อความด้วย เพื่อสนับสนุนข้อเสนอนี้ พวกเขาอ้างถึงลำดับและการจัดเรียง tRNA การสังเคราะห์แบบดีโนโวของ Qβ มิดิแวเรียนต์ และสารตั้งต้นเอนไซม์โครงสร้าง β-sheet อย่างง่าย พวกเขากล่าวว่าสิ่งนี้ทำให้ข้อความสามารถอ่านได้โดยไม่ต้องมีเครื่องมือแปลรหัสที่ซับซ้อนใด ๆ

1. ข้อสังเกตที่อ้างถึงข้อใดสนับสนุนข้อกล่าวอ้างเรื่องหน้าที่คู่ได้จริง และผลลัพธ์ใดที่จะหักล้างข้อกล่าวอ้างนี้?

คำตอบ:
หลักฐานสนับสนุน: การจัดเรียง tRNA แสดงว่าหน้าที่ของตัวปรับและตัวนำสารพันธุกรรมสามารถอยู่ใน RNA วงศ์เดียวกันได้ Qβ มิดิแวเรียนต์แสดงการเพิ่มจำนวน RNA โดยไม่ต้องมีเครื่องมือแปลรหัสอยู่ก่อน ทำให้ RNA ขนาดเท่า tRNA ที่เพิ่มจำนวนได้อย่างเสถียรเป็นไปได้ สารตั้งต้นโครงสร้าง β-sheet แสดงว่าโปรตีนยุคแรกไม่จำเป็นต้องมีการพับที่ซับซ้อน และการสลับ hf/FH ให้กลไกที่สายเดียวกันส่งกรดอะมิโนและเผยลำดับที่อ่านได้ การหักล้างจะมาจากการแสดงว่าไม่มี RNA ความยาวหรือโครงสร้างใดที่ทำหน้าที่ทั้งสองพร้อมกันได้ — ตัวอย่างเช่น หากการจดจำของตัวปรับจำเป็นต้องใช้โมเลกุลที่สั้นเกินกว่าจะอ่านได้ หรือหากการพลิกจาก hf ไปเป็น FH ไม่สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อมีการส่งกรดอะมิโน

2. ประเมินความน่าเชื่อถือของหลักฐานนี้: เป็นข้อพิสูจน์ถึง RNA ที่ทำหน้าที่คู่ในยุคโบราณ หรือเป็นเพียงความเป็นไปได้? ต้องมีหลักฐานเพิ่มเติมใดจึงจะยกระดับจากความเป็นไปได้ไปสู่ข้อพิสูจน์?

คำตอบ:
หลักฐานนี้สอดคล้องกันแต่เป็นทางอ้อม จึงแสดงถึงความเป็นไปได้มากกว่าข้อพิสูจน์ Qβ มิดิแวเรียนต์เป็นตัวแทนของตัวจำลองแบบในยุคปัจจุบัน สารตั้งต้นโครงสร้าง β-sheet เป็นการอนุมานจากการพับแบบน้อยที่สุด และการสลับ hf/FH เป็นสมมติฐานเชิงกลไกสำหรับการแปลรหัสในยุคแรก ไม่ใช่หลักฐานโบราณโดยตรง การยกระดับจากความเป็นไปได้ไปสู่ข้อพิสูจน์จะต้องมีตัวบ่งชี้โดยตรงของ RNA สายเดียวในยุคโบราณที่ทำหน้าที่ทั้งสองอย่าง — เช่น ลักษณะเฉพาะของลำดับ/โครงสร้างที่สืบย้อนได้ซึ่งใช้ร่วมกันระหว่างตัวปรับและตัวนำสารพันธุกรรม หรือ RNA สายเดียวที่พิสูจน์ได้จากการทดลองว่าทำหน้าที่ทั้งรับกรดอะมิโน ส่งต่อไปยังเพปไทด์ และถูกอ่านเป็นแม่แบบพร้อมกันโดยไม่ต้องมีเครื่องมือแปลรหัสที่ซับซ้อน