RNA-Welt-Hypothese

Strukturmodell eines Ribozyms, eines Bestandteils der RNA-Welt-Hypothese

Die RNA-Welt-Hypothese ist eine Theorie, die besagt, dass eine Welt mit Leben basierend auf Ribonukleinsäuren (RNA) als universeller Baustein zur Informationsspeicherung und zur Katalyse chemischer Reaktionen unseren heutigen Formen des Lebens vorausging. Sie ist ein Bindeglied zwischen den Hypothesen der chemischen Evolution, welche die Entstehung organischer Moleküle aus anorganischen Verbindungen erklären, und dem Aufkommen erster zellulärer Lebensformen. Im Rahmen der RNA-Welt-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 wurde. Als ein Hinweis auf die Existenz der RNA-Welt werden Ribosomen und die katalytisch aktive ribosomale RNA (rRNA) angesehen, die evolutionäre Überbleibsel dieser Zeit darstellen könnten.

Konzept

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 ist die RNA wie auch Proteine in der Lage, chemische Reaktionen zu katalysieren.

Entstehung

Die Grundlage für die Entwicklung der RNA-Welt-Hypothese lässt sich auf die Ergebnisse des Miller-Urey-Experiments aus zurückführen. In diesem Experiment konnte gezeigt werden, dass unter Bedingungen, die vor über drei Milliarden Jahren auf der Erde herrschten, organische Verbindungen aus anorganischen Substanzen entstehen konnten.^[1][2] 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 Ribonukleotide gebildet werden können.^[3]

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.^[3]

Informationsspeicherung

Auf Grund ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften wird RNA für das ältere Speichermedium für Erbinformationen gehalten als die DNA. So kann beispielsweise der RNA-Baustein Ribose im Gegensatz zu 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 ist die RNA jedoch der DNA unterlegen, da diese fehleranfällig und somit energieintensiv ist.

Katalyse

Mit der Entdeckung, dass die ribosomale RNA des Wimpertierchens Tetrahymena sich selbst spleißen kann, wurde 1982 erstmalig der Nachweis katalytischer Eigenschaften von Ribonukleinsäuren (Ribozyme) erbracht.^[4] Darüber hinaus konnten RNA-Moleküle entdeckt werden, die wichtige Bestandteile des Zellstoffwechsels, einschließlich ihrer eigenen Bausteine, produzieren^[5] und sogar solche, die zur identischen Vervielfältigung (Replikation)^[6][7] 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.^[8] Diese Annahme wurde durch die Entdeckung, dass die wichtigen katalytischen Zentren der Ribosomen von RNA und nicht, wie vorher angenommen, von Proteinen gestellt werden, gestützt.^[9]

Zelluläre RNA

Für die Entwicklung der RNA-Welt unter den Bedingungen der Darwinschen Evolution wird eine Kompartimentierung als wichtige Voraussetzung angesehen.^[10] 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.^[8]

Alternativhypothesen

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 Peptid-Nukleinsäuren, Threose-Nukleinsäuren^[11] und Glycerol-Nukleinsäuren^[12] 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.^[13] Eine Entstehung von Peptid-Nukleinsäuren in der Ursuppe gilt als möglich.^[14] Auch die in der Ursuppe vermuteten polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe werden als mögliche Vorgänger der RNA angesehen.^[15]

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. Eine grundlegende Erklärung über die Entstehung des Lebens bietet sie jedoch nicht.^[16]

Geschichte

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.^[1][2] In seinem Buch „The Genetic Code“ stellte 1967 Carl Woese die Hypothese eines auf RNA basierenden einfachen Lebens vor.^[17] Auch Leslie Orgel beschrieb 1968 die RNA als eine wichtige Stufe in der Evolution.^[18] Der Begriff der „RNA-Welt“ wurde erstmals 1986 von Walter Gilbert gebraucht^[19] und hat sich seitdem etabliert.

Einzelnachweise

1. ↑ ^{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.
2. ↑ ^{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.
3. ↑ ^{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.
4. ↑ 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.
5. ↑ Unrau PJ, Bartel DP: RNA-catalysed nucleotide synthesis. In: Nature. 395, Nr. 6699, September 1998, S. 260–3. doi:10.1038/26193. PMID 9751052.
6. ↑ 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.
7. ↑ 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. Volltext bei PMC: 2652413.
8. ↑ ^{a b} 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.
9. ↑ 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.
10. ↑ Szostak JW, Bartel DP, Luisi PL: Synthesizing life. In: Nature. 409, Nr. 6818, Januar 2001, S. 387–90. doi:10.1038/35053176. PMID 11201752.
11. ↑ 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.
12. ↑ 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.
13. ↑ 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.
14. ↑ Nelson KE, Levy M, Miller SL: Peptide nucleic acids rather than RNA may have been the first genetic molecule. In: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.. 97, Nr. 8, April 2000, S. 3868–71. PMID 10760258. Volltext bei PMC: 18108.
15. ↑ 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.
16. ↑ Crick FH, Orgel LE: Directed Panspermia. In: Icarus. 19, 1973, S. 341–348.
17. ↑ Woese C: The basic nature of the genetic code. In: The Genetic Code, S. 150-178, Harper & Row January 1967, ISBN 978-0060471767
18. ↑ Orgel LE: Evolution of the genetic apparatus. In: J. Mol. Biol.. 38, Nr. 3, Dezember 1968, S. 381–93. PMID 5718557.
19. ↑ Gilbert W: The RNA World. In: Nature. 319, Februar 1986, S. 618. doi:10.1038/319618a0.

Literatur

• A. Wochner, J. Attwater u.a.: Ribozyme-catalyzed transcription of an active ribozyme. In: Science (New York, N.Y.). Band 332, Nummer 6026, April 2011, S. 209–212, ISSN 1095-9203. doi:10.1126/science.1200752. PMID 21474753.
• Michael Yarus: Life from an RNA World: The Ancestor Within. Cambridge: Harvard University Press 2010, ISBN 0-674-05075-4
• Neukamm M: Neuer Syntheseweg: Ribonukleotide in der RNA-Welt. In: Laborjournal. 15, Nr. 12, 2009, S. 22-23.