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科研笔记:"RNA世界" 存在的核酸聚合酶结构证据

已有 1209 次阅读 2022-1-19 09:37 |个人分类:Science in action|系统分类:科研笔记

  我们做学生那时候流行一个有意思的悖论,因为当时遗传学的中心法则搞得火热,而这个中心法则试图告诉人们生物的遗传信息是从“DNA-RNA-多肽-蛋白质”这样传递的。当时的一些聪明人马上想到了一个类似“先有鸡,还是先有蛋”的问题,即在生命形成及进化过程中是先有DNA(组成的基本单位是与碱基相连的戊糖环第2'碳是一个氢(脱氧),而不是仲醇基), 还是先有RNA(与脱氧核糖核酸的直接差别是上述2'位是仲醇基团)? 基于核酸分子构象的保守性决定核酸聚合酶的结构进化保守性范式,把负责基因组复制的DNA聚合酶和负责基因组复制的RdRp 、RT以及负责基因转录的RNA聚合酶和真核生物细胞中复制执行RNAi 转录的eRdRp聚合酶的核心结构域比较来看,会发现细菌、古细菌和真核、病毒等生物的DNA聚合酶彼此之间并不来自同一祖先,相反古细菌的DNA聚合酶却与负责基因转录的RNA聚合酶有着类似的催化核心结构,均由双psi β桶结构域组成。除主要负责细菌DNA聚合的DNA聚合酶C家族外,负责“遗传信息储存”的DNA或RNA分子的核酸聚合酶的催化核心中则普遍存在着与单亚基RNA聚合酶催化核心的所有的“右手”构象。这种情况强烈暗示,现有DNA 生命来源于RNA-蛋白质生命形式的"进化"。RNA折叠成的"Riozyme"(核酶)是细胞生命进化的起点。

把以下信息共享于此


RNA世界研究进展

 

表1、核酸聚合酶(DNA 聚合酶和RNA 聚合酶)

基于模板使用的聚合酶分类


DNA-聚合酶

RNA-聚合酶

模板是DNA

DNA 依赖的DNA-聚合酶
  或称 普通
DNA 聚合酶

DNA 依赖的RNA-聚合酶
   或称普通 
RNA 聚合酶

模板是 RNA

RNA 依赖的DNA 聚合酶
   或称逆转录酶(
Reverse transcriptase)

RNA 依赖的 RNA 聚合酶
   或 RdRp 或 RNA-复制酶

 

基于结构和功能相似性的聚合酶分类

DNA 为模板的DNA聚合酶(DNA polymerase ,DNA-directed DNA polymerase, DdDP)

A家族(Family A): DNA polymerase I; Pol γ, θ, ν

B家族(Family B): DNA polymerase II; Pol α, δ, ε, ζ(真核基因组复制)

C家族(Family C): DNA polymerase III holoenzyme(细菌)

D家族(Family D):DNA polymerase D (古细菌基因组复制)其合成结构域(catalytic core of PolD)与负责真核生物基因转录的RNA聚合酶的大亚基以及DNA病毒的同源(图三所示)

X家族(Family X): Pol β, λ, μ (真核)

Terminal deoxynucleotidyl transferase (TDT), 负责制造抗体重链多样性

Y家族(Family Y): DNA polymerase IV (DinB) DNA polymerase V (UmuD'2C) - SOS repair polymerases (TLS); Pol η, ι, κ (原核和真核均有,这个家族的聚合酶不具3'-5'校对活性,整体构象依然为"右手"构象)

逆转录酶Reverse transcriptase ,RT; RNA-directed DNA polymerase; RdDP),端粒酶(Telomerase

 

DNA为模板的RNA聚合酶(DNA-directed RNA polymeraseDdRP, RNAP)

1、多亚基 (Multi-subunit,msDdRP): RNA polymerase I, RNA polymerase II, RNA polymerase III(基因转录,核心催化结构域为双psi-beta桶构象)

2、单个亚基(Single-subunit ,ssDdRP): T7 RNA polymerase, POLRMT(右手构象)

3、引物酶:Primase, PrimPol

 

RNA为模板的RNA聚合酶(RNA replicase ,RNA-directed RNA polymerase, RdRP)

1、病毒的RdRp(Viral RdRp, 单体酶,single-subunit)

2、真核细胞RdRp(Eukaryotic cellular,cRdRP/eRdRp; 双亚基酶,dual-subunit)

无模板RNA延伸(Template-less RNA elongation)

3、聚腺苷酸化:PAP,PNPase(Polyadenylation: PAP, PNPase

 

以上列出了所知核酸聚合酶种类

 

这些聚合酶通常分为两个超家族,“右手”折叠和“双psiβ桶”(通常简称“双桶”)折叠。前者见于几乎所有的DNA聚合酶和几乎所有的病毒单亚基聚合酶;它们以一个保守的“手掌”域为标志。

 


palmdomain.jpg

                  图一、 具有"右手"结构域的DNA 聚合酶和RNA 病毒的RNA聚合酶

 

双桶.jpg

A、右手构象聚合酶保守的“手掌”结构域的共有二级结构元件。其中,罗马数字1、2、3、4标识的蓝色beta片层,而大写字母A、B则标识的褐色为alpha螺旋

prokareukaryotes.jpg

B、水生嗜热菌(Thermus aquaticusDNAPolC及已知的褐色家鼠(Rattus norvegicus)的Polβ核心催化结构域

(图中罗马数字和大写字母所标识的二级结构元件与上图同)

 

图二、右手构象聚合酶中保守的“手掌”结构域

 

后者见于所有多亚单位RNA聚合酶、eRdRP和古细菌中的“D家族”DNA聚合酶。DNA聚合酶β所代表的“X”家族只有一个模糊的“手掌”形状,有时被认为是一个不同的超家族。

双桶结构.jpg

图三、核酸聚合酶中保守的双psi桶结构域

 

细菌、故细菌和真核的引物酶(Primase)通常不属于这两类。细菌的引物酶通常含有“Toprim”结构域,与拓扑异构酶和线粒体解旋酶twinkle有关。古细菌和真核生物的引物酶则形成一个不相关的AEP家族,可能与聚合酶链有关。这两个家族可能均与同一套解旋酶有关(一些信息汇总于下表)。

 

表2、不同生物聚合酶核心结构域的结构特征汇总

 

所属家族

核心催化域

功能

DNA-RNA 转换

物种

DNA-依赖的DNA聚合酶





PolA

衍生的RRM-手掌结构域

细菌DNA修复;复制某些噬菌体、植物和真菌线粒体和线粒体内的质粒

在噬菌体中可见由DNA聚合酶向单亚基RNA聚合酶转换

细菌、一些噬菌体和线粒体

PolB

RRM-手掌结构域

负责真核、病毒和古细菌Crenarchaeota的复制;在其他古细菌和细菌中参与修复、

向DNA模板和产物转移(复制起点处?)

古细菌、真核、一些细菌和许多大的DNA病毒

PolC

Polβ样核苷转移酶

DNA复制

在真核生物向PolyA聚合酶转换

细菌和一些噬菌体

PolD

含有2个双Psi-β桶的单体

DNA复制

向DNA模板和产物转移(复制起点处?)

除Crenarchaea(Crenarchaeota)、Thaumarchaea(Thaumarchaeota)之外的古细菌

AEP

RRM-手掌结构域

古细菌、真核、双链DNA病毒的RNA引物合成,以及某些质粒和噬菌体的复制

质粒复制过程中由RNA引物合成向DNA合成转换

古细菌、真核、某些细菌、多型转座子(可移动因子)和许多大的DNA病毒

DNA-依赖的RNA聚合酶





2 双psi-β桶(DPBB)RNA聚合酶-双亚基

每个亚基中含有一个2 双psi-β桶

基因转录

在转录起点处向DNA模板转化?类病毒复制;向RNA模板转化

细菌、古细菌和真核以及许多大的DNA病毒

2 双psi-β桶(DPBB)RNA聚合酶-单亚基酶

单亚基中含有2 双psi-β桶

基因转录

真核RNAi;向RNA模板转化

许多噬菌体和真菌的细胞质内线状质粒

单亚基RNA聚合酶

衍生的RRM-手掌结构域

基因转录

未发现

某些噬菌体、真核线粒体

RdRp-RT





eRdRp (RNAi)

单亚基中含有2 双psi-β桶

小RNA扩增

未发现

真核生物

RdRp

RRM-手掌结构域

复制

可能发生在RT过程中向DNA复制转换

RNA病毒

RT

RRM-手掌结构域

病毒复制、反转录因子复制、真核染色体端粒复制

既可用RNA为模板也可以利用DNA模板

反转录因子和逆转录病毒

 

注解:1、AEP 古细菌-真核 引物酶;DNAP,DNA聚合酶;DPBB,双-psi beta桶结构域;RNAP,RNA聚合酶;RdRp, RNA依赖的RNA聚合酶;RRM,RNA识别基序;RT,逆转录酶。

2、X家族(Family X): Pol β, λ, μ (真核)

Terminal deoxynucleotidyl transferase (TDT), 负责制造抗体重链多样性

3、Y家族(Family Y): DNA polymerase IV (DinB) DNA polymerase V (UmuD'2C) - SOS repair polymerases (TLS); Pol η, ι, κ (原核和真核均有)

 

进化差异

细菌、古细菌和真核生物负责DNA复制的DNA聚合酶(DNAP)属于3个不同的蛋白质家族,3个DNAPs的核心催化域彼此无关,分别采用不同的蛋白质折叠作为其催化核心。表明各自起源不同。其中,古细菌的DNA的复制型DNA聚合酶(PolD)与负责转录的通用RNA聚合酶(RNAP)的大亚基之间具有同源性,表明两者之间具有某种进化联系。两者的RNAPs和复制性DNAPs有可能从一个共同的祖先基因进化而来。该祖先基因编码在DNA复制出现之前的RNA蛋白质世界中RNA依赖性RNA聚合酶的作用。最后一个通用细胞祖先(LUCA,Last Universal Cellular Ancestor)的复制性DNAP可能是古细菌PolD的祖先。

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