研究人员通过低温电子显微镜揭示了复制酶的原子结构

图中显示的是一种被认为与生命起源有关的 RNA 聚合酶核糖酶。图中的核糖酶被冰冻起来，象征着它是如何被及时冷冻以进行成像的，以及它是如何在冰冷的条件下发挥最佳作用的。黄/红光突出显示了活性位点，透明显示了模板-产物螺旋的拟议位置。图片来源：Rune Kidmose

错综复杂的生命分子机制是如何从简单的起点产生的，这是一个长期存在的问题。

一些证据表明，在原始的"RNA 世界"中，"RNA 复制机"（即所谓的复制酶）开始复制自身和其他 RNA 分子，从而启动了进化和生命本身。然而，古老的复制酶似乎已经消失在时间的长河中，它在现代生物学中的作用已被更高效的蛋白质机器所取代。

为了支持"RNA 世界"假说，研究人员一直试图在实验室中重新创造出一种等效的 RNA 复制酶。

虽然已经发现了这种古代复制酶的分子"二重身"，但由于难以确定动态 RNA 分子的结构，它们的详细分子结构和作用方式仍然难以确定。

嗜冰 RNA 复制酶的结构

在发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）的一篇研究论文中，一个研究小组首次利用低温电子显微镜（cryo-EM）报告了 RNA 复制酶的原子结构。

正在研究的 RNA 复制酶是由 Holliger 实验室（英国剑桥大学 MRC LMB）开发的，能够在共晶冰相（类似于冰渣）中利用核苷酸三联体高效复制长模板。现任奥胡斯大学助理教授的 Emil L. Kristoffersen 从霍利格实验室博士后学习归来后，促成了与安德森实验室（丹麦奥胡斯大学）的合作，通过低温电子显微镜确定了 RNA 复制酶的结构。

有趣的是，该结构与基于蛋白质的聚合酶有着惊人的相似之处，其模板结合、聚合和底物分辨结构域的分子形状类似于一只张开的手。

"我们惊讶地发现，我们在试管中人工进化出的核糖酶竟然具有天然存在的蛋白质聚合酶的特征。"英国剑桥大学 MRC LMB 项目负责人 Philipp Holliger 解释说："这表明，无论材料是 RNA 还是蛋白质，进化都能发现趋同的分子解决方案。"

RNA 世界中的 RNA 合成模型

为了更好地了解 RNA 复制酶的工作原理，研究人员进行了全面的突变研究，以突出 RNA 结构的关键要素。这项分析证实了催化位点的特征，同时也揭示了两个所谓的"接吻环"相互作用的重要性，这两个相互作用将支架亚基和催化亚基结合在一起，同时也揭示了一个特定的RNA结构域对保真度的重要性，即复制酶复制RNA链的准确性。

虽然研究人员无法确定复制酶在积极复制 RNA 时的"作用中"结构，但他们还是建立了一个与所有实验数据相一致的基于 RNA 的 RNA 复制模型。

"冷冻电镜是研究 RNA 分子结构和动态特征的一种强大方法。通过将低温电子显微镜数据与实验相结合，我们能够建立这种复杂的 RNA 机器内部运作的模型。"Ewan McRae 告诉我们，他在奥胡斯大学安德森实验室做博士后时曾从事过低温电子显微镜工作，现在已经在美国得克萨斯州休斯顿卫理公会研究所成立了自己的研究小组。

RNA 纳米技术和医学的灵感来源

这项研究令人兴奋地首次看到了被认为位于生命之树根部的 RNA 复制酶。然而，目前开发的基于 RNA 的复制酶效率很低（与基于蛋白质的聚合酶相比），还不能维持自身的复制和进化。这项研究提供的结构洞察力可能有助于设计更高效的复制机制，从而让我们更接近在试管中开发 RNA 世界的情景。

"通过使用可能存在于 RNA 世界中的化学修饰，RNA 复制酶的特性可能会得到进一步改善。"丹麦奥胡斯大学副教授 Ebbe Sloth Andersen 解释说："此外，对生命起源的研究还发现了几种新型 RNA 构建模块，可用于新兴的 RNA 纳米技术和医学领域。"

编译来源：ScitechDaily