生命はRNAワールドで始まったのか？

生命はRNAワールドで始まったのか？

自己複製し、突然変異を起こし、さらには進化する分子から、初期生命が誕生したと考える人もいます。しかし、それだけでは十分ではなかったかもしれません。

はじめに

この記事は Quanta Magazineの生命の起源ウィークの一部です。科学最大の謎の一つについての更なる記事を、一週間を通してチェックしてください。

地球上の生命が足場を築けなかった場所は、ほとんどありません。生物は雲、気候、さらには岩石さえも形作っています。しかし、約40億年前に不毛の惑星で生命がどのように最初に現れたのかは、科学にとって最大の疑問の一つであり続けています。多くの研究者は、遺伝情報を確実に保存しコピーする能力である自己複製が、生命の最も核となる能力であると考えています。それが真実であれば、初期の生命体は、今日生命が遺伝情報を保存しコピーするために使用している生体分子のようなものが必要だったはずです。

このプロセスにおける主役はDNA分子です。DNAは、細胞内で化学反応を可能にするタンパク質分子の形態をコード化しています。DNAの遺伝情報をタンパク質の化学構造に翻訳するために、細胞はRNAを使用します。問題は、現代の細胞では、このプロセスのすべてのステップにタンパク質が関与していることです。細胞が分裂する際にDNAを複製し、DNAをRNAに転写し、より多くのタンパク質を作るためにRNAを使用するのを助けます。これは、ニワトリと卵の問題を生み出します。有用なタンパク質はDNAなしでは細胞内で作れませんが、そもそもDNAを作るためにはタンパク質が必要です。

1980年代後半のRNAに関する発見は、この行き詰まりを打破するように見えました。研究者たちは、遺伝情報をタンパク質に変換するのを助けることに加えて、一部のRNAは化学反応を可能にする触媒として機能できることを発見しました。これらは、タンパク質触媒である酵素にちなんでリボザイムと名付けられました。リボザイムの存在は、RNAが遺伝配列情報と触媒の両方の役割を果たすことができ、それによってDNAとタンパク質の両方の仕事をこなせることを示唆しました。それは、その最も初期の時代には、生命、あるいはそれに先行する複雑な化学が、すべてRNAに関するものであった可能性を plausibly にします。この考え方は、物理学者から生物学者に転身したWalter Gilbertによって提唱されており、生命はRNAワールドとして始まったとされています。

原始地球上のどこかで、個々のヌクレオチド分子が出現し、自発的かつランダムに鎖状に結合したと想像してみてください。ある記念すべき日に、偶然にもこれらのヌクレオチド鎖の一つが、他のRNAを形成するのを助ける能力を持つリボザイムとして機能するのに適切な配列を獲得しました。そのような原始リボザイムは、自己複製能力を持つ自己触媒としても機能できたかもしれません。1996年、研究者たちが実際に個々のヌクレオチドを結合させてRNAを形成できるリボザイムを作成したとき、この理論は後押しされました。これはRNAが複製できる可能性を高めました。

そのような複製は分子世界のランダムなノイズに対して脆弱になるため、エラーが発生します。複製されたRNAの一部は、親とはわずかに異なる配列を持つでしょう。そのような突然変異により、ダーウィンの進化が可能になります。自然選択は、より速い速度でコピーを作成する突然変異した複製体を支持するでしょう。

これらの原始的な、進化する分子システムは、それ自体では「生きている」とは言えないでしょう。しかし、一部のRNA分子が代謝プロセスを触媒したり、他の複雑な生体分子を作ったりする形態に進化することは容易に想像できます。そこから、最初の真に生きた原細胞への道が見えてきます。

「RNAワールド」という考えは、理論上は良く聞こえます。しかし、この仮説には問題があります。2019年、Salk InstituteのRNA生物学者であるGerald Joyceとその同僚は、実験室で新しいリボザイムを作る方法を模索していました。彼らは、他のRNAを作ることができる合成リボザイムを作成することから始めました。次に、それらを人工的に進化させるために、リボザイムの配列を少しシャッフルしました。最終的に、それが「進化した」RNAを合成できるリボザイムを見つけましたが、Joyceとその同僚は、各進化ラウンドで導入された突然変異は触媒的挙動を殺してしまう傾向があることを発見しました。後続の各世代で、突然変異体のうち、他のRNA分子を構築する能力を維持できたものはほとんどありませんでした。全体として、これらの実験は、自己維持的なRNA進化は困難であるように思われることを示唆しています。

さらに、Joyceのリボザイムはすべて大きく、おそらく数百個の結合したヌクレオチドで構成されていました。しかし、現在の実験では、比較的微小な、約10〜15個のヌクレオチド長のRNAの自発的なアセンブリしか得られていません。ランダムな小さな断片的なRNAのアセンブリから、より大きな分子が形成され、ましてや複製・進化できるRNAワールドへと移行するには、大きな飛躍が必要です。これらの機能的な分子がランダムにアセンブルされ、原始的なプールで自己維持される可能性は、ごくわずかであるように思われます。

しかし、RNAワールドの熱心な信奉者には、希望を維持する理由がいくつかあります。英国のMRC分子生物学研究所の生物学者であるPhilipp Holligerとその同僚による最近の研究は、自己複製RNAがJoyceのリボザイムほど大きくなくてもよいことを示しています。彼らのRNA人工進化実験で、Holligerのチームは小さなRNA（20〜40個のヌクレオチド長）の触媒活性を探し、各突然変異サイクルの長さの小さな変化を許容しました。彼らは、QT45（「かなり小さい」の意）と名付けられた45ヌクレオチドの分子を発見し、それが別のRNA鎖を掴んでコピーできることを示しました。「原理的には、どんな配列でもコピーできます」とHolligerは言いました。そして、45ヌクレオチドの分子が自発的に得られることは、「無理な要求ではないように思える」と彼は付け加えました。実際、研究者たちは、QT45が2つの断片に分割されても、その部分は仕事を続けられるはずなので、触媒活性は維持される可能性があると述べています。

研究者たちはまた、約10兆個の異なる分子の開始プールの中から、同様の活性を持つ他の2つの比較的小さなRNAを発見しました。この数の分子は、この長さのすべての可能なRNA配列の1000億分の1にすぎないことを考えると、実際にはかなり良いヒット率であるとHolligerは言いました。これは、小さなRNAにおけるこの種の自己コピー能力が十分に一般的である可能性を示唆しており、原始的なスープのようなものでランダムなRNAの中に容易に現れた可能性があります。

その「可能性」は多くの意味を含んでいます。初期の地球上で、地理的にも時間的にも、RNAワールドのためのニッチが存在したかどうかは不明です。Holligerとその同僚は、RNA複製のラウンドが指数関数的な成長につながるプロセスは、酸性度の周期的な変化と、溶液の凍結・融解のサイクルによって駆動されることを示しました。これは、若い地球の氷に覆われた極地で plausibly なシナリオです。しかし、どのような潜在的な生息地であっても、生命の火花が灯るのに十分な期間、生命に友好的である必要がありました。

おそらく最も重要なのは、RNAワールドが真に生きていると言えるかどうかは明らかではないということです。生命は単に遺伝情報担体の自己複製だけではありません。より多くの材料、特に環境からエネルギーを収穫して有用な分子を作るための何らかの代謝の存在が必要です。生命がどのように始まったにせよ、それはおそらくヌクレオチドの鎖以上のものが必要だったでしょう。

［画像: RNAワールド仮説の概念図。自己複製するRNA分子が、初期生命の誕生につながる化学進化のプロセスを担っている様子を描いている。］