原初のリボソームを探して40億年前に生命が誕生した瞬間を再現する

地球上の生命の進化の過程は、DNA、RNA、タンパク質という3つの物質が踊る長いワルツですが、このワルツの最初の一歩がどのように踏み出されたのかはわかっていません。 DNA とタンパク質のどちらが先に現れたのでしょうか。また、DNA とタンパク質は進化にどのように貢献したのでしょうか。鍵となるのは原始リボソームです。それを発見すれば、生命の起源を説明するのに役立つかもしれません。

著者：顧淑塵

生命の起源は科学界では常に議論の的となっている問題です。古代から現代に至るまで、西洋の天地創造説、中国の盤古天地創造説など、世界各地にはさまざまな伝説が存在します。 19 世紀になって初めて、ダーウィンの『種の起源』が出版され、生物学は前例のない変革を遂げ、人類に生命の起源という永遠の謎を解明する希望の光をもたらしました。ダーウィンの理論では、地球上の生命の進化、特に化学過程から生物過程への進化は、彼が常に追求してきた重要な課題であり、その中でも生命を構成する遺伝物質の出現は最も解明が難しい問題である。

「RNAワールド」の提案

今日、私たちは生命を構成する最も重要な物質として DNA、RNA、タンパク質が含まれ、これらが極めて複雑な化学反応のネットワークを形成することを知っています。現在、知られているすべての生物は、情報を保存するために同じ遺伝子分子「核酸」を使用しています。すべての生物には、DNA（デオキシリボ核酸）とRNA（リボ核酸）という2種類の核酸が存在します。 DNA は遺伝子内の遺伝情報をコード化する役割を担い、RNA に転写され、その後タンパク質に翻訳されます。細胞の最も重要な構成要素であるタンパク質は、DNA から RNA への変換や RNA からタンパク質への変換を支援するなど、分子機能の大部分を最終的に実行します。このプロセスは生物学における有名な「セントラルドグマ」である[1] 。ある意味、40億年の生命の歴史は、これら3つの物質が踊る長いワルツですが、このワルツがどのようにして最初の一歩を踏み出したのかはわかっていません。この遺伝情報は、今日の生化学機構では DNA から始まりますが、進化の歴史の中でどの物質が最初に存在したかは明らかではありません。

図1: セントラルドグマ

当初は、遺伝情報の出発点であるDNAと生命活動において最も重要な機能物質であるタンパク質に注目が集まりましたが、結局、両者の議論はジレンマに陥りました。セントラルドグマ（図1）が示すように、出発点はDNAであり、流れはDNAからタンパク質に向かうべきであると思われます。この理論によれば、DNAはタンパク質より先に出現するはずです。しかし、問題はそれほど単純ではありません。生命が40億年も存続し続けるためにはDNAが自己複製する必要があり、このプロセスはDNAだけでは完了できません。複製を完了するには特定の酵素が必要であり、これらの酵素はすべてタンパク質です。したがって、生命の起源についての議論では、DNA とタンパク質の起源に関する問題は、「鶏が先か、卵が先か」という分子生物学版の問題になります。 (編集者注: ミトコンドリアの起源についても同様の疑問が存在します。「ミトコンドリアの起源の謎: 真核細胞のエネルギー工場はいかにして作られたか?」を参照してください。)

もちろん、生命が最初に出現したときに、この一連の洗練されたメカニズムをすべて一度に備えることは不可能です。すべての機能を実行できる、よりシンプルなバージョンが存在する可能性が高くなります。 1970年代、コロラド大学の科学者トーマス・チェックは、真核細胞における「RNAスプライシング」現象を研究しているときに、RNA分子がタンパク質を必要とせずにスプライシングを自己触媒できることを発見しました[2] 。 RNA 分子は遺伝情報を単に受動的に運ぶだけではなく、タンパク質触媒機能も持ち、細胞反応に関与できることが初めて証明されました。その後、米国イェール大学の科学者シドニー・アルトマンは、大腸菌リボヌクレアーゼPのRNA部分にも完全な酵素の触媒活性があることを発見しました[3]。どちらの発見も、すべての酵素はタンパク質であるという従来の概念を覆すものであり、1989年のノーベル化学賞を共同受賞しました。

これらの発見は、遺伝情報のコード化において DNA を置き換えるだけでなく、タンパク質の酵素触媒機能も持つ RNA の能力を示しています。つまり、RNA は遺伝情報の保存と反応の触媒という 2 つの重要な役割を担うことができます。これは、RNA 分子が DNA やタンパク質を置き去りにして世界を支配する可能性があることを意味します。この発見により、もう一人のノーベル賞受賞者であるウォルター・ギルバートはネイチャー誌で「RNAワールド」理論を提唱した[4]。「RNAワールド」理論では、生命は当初RNAの形で出現し、環境の変化とともに今日のDNAとタンパク質へと進化したと考えられています。元々の RNA は、今日の DNA 分子と同じように遺伝情報を保存する機能があり、またプロテアーゼのような触媒機能も備えており、初期の細胞や生命の動きに必要なすべての前提条件を提供していました。

原始的なリボソームは存在するのでしょうか?

「RNAワールド」は生命の起源の謎を解明するものでしょうか？いいえ、この理論には、RNAがどのようにしてそれ自体でタンパク質を生成できるかを説明するのが難しいなど、まだ多くの問題があります。細胞内でのタンパク質の生成は、遺伝物質が DNA から mRNA (メッセンジャーリボ核酸) に転写され、その後 mRNA 内の塩基配列に従ってタンパク質またはポリペプチド (ミニタンパク質とみなすことができる) に変換されます。このプロセスは細胞内の細胞小器官「リボソーム」で完了する必要があります。したがって、リボソームはタンパク質の生成に必要です。そのため、一部の科学者は、生命の起源において、RNA がタンパク質を合成する能力を進化させたとき、「原始リボソーム」（プロトリボソーム）が存在したはずであり、この原始リボソームは「メタ生命」である可能性さえあると提唱しています。したがって、このメタ生命の原始的なリボソームが存在するかどうかは、この科学的仮説において非常に重要な議論となっている。支持者は、自然界でそれを見つけるか、研究室でこのメタ生命体を作り出す必要があります。最近、実験室でメタ生命を創り出す研究が重要な進歩を遂げました。 2022年2月、イスラエルのワイツマン科学研究所のヨナスのチームは、Nucleic Acids Research誌に論文を発表し、実験室で元のリボソームを再構築し、そのタンパク質合成のプロセスを再現したと述べた[6]。

2000年、科学者たちはリボソーム全体の正確な構造を発表し、その功績によりアダ・ヨナスを含む科学者らは2009年のノーベル化学賞を受賞した。 2000年、ヨナスのチームは、タンパク質とRNAで構成され、異なるサイズの2つのサブユニットに分かれたリボソームの構造を特定しました[5]。これらの材料は極限微生物から得られたものですが、他の生物のリボソーム構造が発表されるにつれて、リボソーム構造にいくつかの規則性があることに気づきました。つまり、大きなサブユニットの核の奥深くに半対称構造があったのです。この領域には、ペプチジルトランスフェラーゼセンター (PTC) と呼ばれる、リボソーム RNA で構成されたポケットのような構造が含まれていました。 mRNA がタンパク質に翻訳される際に、アミノ酸は PTC に配置され、ペアで結合されます。 PTC はアミノ酸同士が結合するための条件を作り出すと言えます。さまざまな種の PTC を観察した結果、構造のヌクレオチド配列は種によって異なるものの、各 PTC の形状は同じであることがわかりました。アダ・ヨナス氏とそのチームは、PTC のこの半対称領域はリボソームの最も原始的な構造である可能性が高く、現在のリボソームはこの構造から進化した可能性があると推測しました。まさにこの推測に基づいて、彼らは「原始リボソーム」という概念とアイデアを初めて提案しました。

図2: 元のリボソームの3D構造[6]

PTC の対称性を詳細に分析した結果、これは類似した形状を持つ RNA のペアであり、驚くほどの精度で半対称の漏斗型ポケット構造を形成していることが分かりました。翻訳プロセス中、アミノ酸を運ぶ tRNA (転移 RNA) が、アミノ酸をファネルに運びます。漏斗の中央では、アミノ酸が十分に近い場合、それらは互いに結合してペプチド結合を形成します。そこで彼らは、初期の地球に出現したかもしれない「原始的なリボソーム」のモデルを提唱した。この原始的なリボソームには、それぞれ 60 ヌクレオチドと 61 ヌクレオチドからなる 2 つの類似した L 字型 RNA のみが必要です (図 2)。彼らは、このような原始的なリボソームでは、RNAによって形成されたポケットのような構造がアミノ酸を連結して小さなペプチドを形成できるのではないかと推測した[6]。しかし、ヨナス氏とそのチームが最初にこのアイデアを提案したとき、そのような構造が実際に存在し、想定どおりに機能するという実験的証拠はありませんでした。

この仮説を証明するために、ヨナス氏と彼女のチームは、プロセスを再現するか、研究室で構造を再現する必要があります。実験の最初のステップは、この理論上の原始リボソームを構築することです。研究者たちは現代のリボソームを分析し、元のリボソームとは無関係と思われるものを現代のリボソームから取り除き、PTC の核となる半対称のポケット構造を作るのに十分な RNA だけを残すことに時間を費やした。実験の2番目のステップは、この推定上の原始リボソームが2つのアミノ酸を取り込んでそれらを結合し、ポリペプチドを形成できることを示すことでした。しかし、このプロセスは簡単ではありません。元のリボソームが機能できたとしても、プロテアーゼの関与がないためその効率は非常に低く、生成できるポリペプチドの量は非常に少ないため、研究者が検出するのは困難です。そのため、このプロジェクトは研究者から研究者へと引き継がれ、最終的に「原始リボソーム」が2つのアミノ酸を結合してポリペプチドを形成できることが判明するまでに15年以上かかりました[6]。

もちろん、このような「ノーベル賞レベルの問題」は、数え切れないほど多くの科学者の注目を集めたに違いありません。ヨナス氏のチームは「原始リボソーム」を追跡している唯一のチームではない。日本の田村浩二教授もPTCの半対称コアポケットにインスピレーションを受け、彼のチームは同様の機能を持つ原始リボソームの作成に成功し[7]、ヨナスが提唱した「原始リボソーム」仮説も検証しました。これら 2 つの研究は、生命の起源の研究にさらなる詳細をもたらすだけでなく、分子生物学研究への扉を開くものでもあります。

現在、多くの研究者が、新しいタイプの分子生物学研究を開発するためのツールとして、原始リボソームまたはそれに似たものを研究しています。リボソームが存在するため、タンパク質を合成することができます。このタイプのリボソームはアミノ酸に制限されず、右利きのアミノ酸などの新しい生物学的タンパク質や新しい生物学的分子を生成することができます (現在、生命を構成するアミノ酸はすべて左利きです)。そして、この合成方法はより安価で環境に優しいものとなります。

生命の起源に関する多くの疑問

もちろん、生命の起源はそれほど単純ではないかもしれません。一部の学者は、原始リボソームはリボソームの起源についての単なる推測に過ぎないと考えています。 2つの研究室の原始的なリボソーム構造は現代のPTC構造と全く同じであり、リボソームの進化はまだ解明されていません。この結果は、PTC構造がタンパク質を合成する能力を持っていることを証明するだけであり、今日のリボソームがPTC構造を持つ原始的なリボソームから進化したことを証明するには不十分です。他の研究者も、ペプチドが初期の地球に別の形で出現した可能性を指摘している。例えば、アミノ酸とα-ヒドロキシ酸（乳酸やクエン酸を含むグループ）は、初期地球の冷涼で湿潤な気候と高温で乾燥した気候のサイクルの下でポリペプチドを形成した可能性があり、このプロセスにはRNAの参加は必要ありませんでした[8] 。 2022年に別の研究チームがRNA塩基（現代のRNAコードで使用されているA、C、G、U塩基ではない）を使用してペプチドを連結しました[9]。この結果は、アミノ酸の結合がリボソームのない「RNA ワールド」でも起こる可能性があることを示しています。これらのタンパク質が生成される方法は、現在自然界が RNA 内でタンパク質を生成する方法とはまったく異なります。

科学者たちは長年にわたり、「生命の始まり」という偉大な使命を担う物質の形態を探求してきましたが、生命の起源についてはまだ多くの研究が必要です。たとえば、RNA がどのようにして自己複製能力を獲得したのかを解明する必要があります。また、初期のリボソームが元の mRNA によってコード化された特定のペプチドをどのように認識したかを明らかにする必要もあります。これらのプロセスは、ペプチドを合成する能力と組み合わされ、生命の起源に関するさらなる可能性を提供します。

40億年前、古代の地球の「原始スープ」は周囲の環境の変化に伴って一連の化学反応を起こし、最終的に今日の何十億もの多彩な生命の出発点となった物質を生み出しました。それは一体どのようにして誕生し、徐々に進化してきたのでしょうか?おそらくこれは人類の探究の永遠の目標であり、私たちのような好奇心旺盛な人々の世代にインスピレーションを与え続けるでしょう。

参考文献

[1] クリックF.ネイチャー。 1970年8月8日;227(5258):561-3.

[2] クルーガー、K. 他セル31、147-157（1982）

[3] スタークBC。等Proc Natl Acad Sci US A. 1978年8月;75(8):3717-21.

[4] ギルバート、W.ネイチャー319、618（1986）。

[5] シュルエンゼン、F. 他セル102、615–623（2000）

[6] Bose Tら核酸研究2022年2月28日;50(4):1815-1828.

[7] 川端氏らライフ（バーゼル）。 2022年4月12日;12(4):573.

[8] フォーサイス、JG 他エンジェル。化学。内線エド・エングル。 54、9871–9875（2015）。

[9] ミュラー、F. 他ネイチャー605、279–284（2022）。

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています

制作：中国科学技術協会科学普及部