富肽液滴内转移RNA（tRNA）的结构探测。（A）作为液滴的输入，人们可以通过在线探测（ILP）和tRNA结构-seq研究一个tRNA，通过tRNA结构-seq研究许多tRNA，甚至通过tRNA结构-seq研究许多天然修饰（NM）tRNA。（B）应评估富肽液滴的积累水平，然后（C）可以通过ILP和tRNA结构序列来研究tRNA。从那里用从tRNA结构-seq实验中获得的硫酸二甲酯（DMS）反应性，（D）条件下RNA的结构可以用RNA结构或其他RNA结构预测软件进行预测。学分：科学进展（2023年）。DOI：10.1126/sciadv.adh5152

为了研究地球上第一个生命发展的潜在早期步骤，研究人员一直在研究由无膜区室组成的生命前原始细胞模型。现在，宾夕法尼亚州立大学的一组科学家发现，当这些隔室内的RNA分子具有自然发生的化学修饰时，它们折叠得更好。这些允许RNA更好地折叠的修饰可能为分子如何从任意化合物进化为动态的，有组织的生命的构建块提供提示。

这项新研究由宾夕法尼亚州立大学的一组科学家于9月20日在《科学进展》杂志上发表，该研究使用高通量基因测序来确定RNA的结构，这也对基于RNA的治疗方法的设计具有影响，这些治疗方法依赖于适当折叠的RNA发挥作用。

“RNA与DNA相似，因为它可以在其序列中编码遗传信息，但它也执行许多细胞功能，例如，调节基因表达和作为催化细胞反应的酶，”Phil Bevilacqua说，化学系主任和化学以及生物化学和分子生物学杰出教授在宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学学院，以及研究团队的负责人之一。

“这导致了RNA世界假说，该假说表明地球上最早的生命可能依赖于RNA作为遗传信息的载体和反应的催化剂。我们永远无法确切地知道导致生命的第一步，但我们希望我们的研究可以帮助我们缩小早期地球上的可能性，并了解导致生命起源的过程的局限性。

覆盖早期地球的海洋的所谓“原始汤”可能含有化合物的异质混合物，包括构成RNA的化合物，这些化合物成为生命的基石。然而，汤只是令人不满意的稀汤。

Bevilacqua说，生命的构建块一定非常稀释，因此将它们浓缩到密闭的隔室或原始细胞中的方法对于化合物在最终导致生命的化学反应中相互作用可能很重要。这些隔室中的条件需要与RNA折叠和功能兼容。

“我们能够通过液- 液相分离来制造无膜隔室，模仿原始细胞可能在早期地球上形成的一种方式，”宾夕法尼亚州立大学夏皮罗化学教授，研究小组负责人Christine Keating说。

“这些隔室在带相反电荷的简单聚合物的混合物中自然形成- 在这种情况下，我们使用称为肽的短链氨基酸- 我们之前已经证明RNA集中在区室内。因此，我们想知道在各种条件下这些区室中的隔离如何影响RNA的三维结构，这对它的功能至关重要。

研究人员使用各种条件制造了称为复杂凝聚物的隔室。他们使用了两种不同长度的肽，改变带正电荷和负电荷肽比例的混合物，以及不同浓度的镁离子。在所有情况下，隔室都具有相似的物理性质，并且能够隔离RNA分子.

然后，研究小组使用转移RNA（tRNA）分子来检查隔室中的RNA折叠。他们选择tRNA是因为它们具有经过充分研究的二级和三级结构，已知在细胞中具有高度化学修饰，并且在所有生命中共享，这表明它们很可能存在于古老的共同生命祖先中。

tRNA分子折叠成三叶草状二级结构，并进一步折叠成复杂的三维三级结构。在细胞中，它们参与运输用于构建蛋白质的氨基酸。

“我们首先使用单一类型的未修饰的tRNA分子，并使用一种称为在线探测的技术确定其结构，该技术由三个变量的不同组合制成，”McCauley Meyer说，他最近在宾夕法尼亚州立大学获得了生物化学，微生物学和分子生物学博士学位，是该论文的第一作者。

“tRNA分子折叠得更好，镁离子浓度更高，肽更短，带负电荷的肽比例更高。

Meyer说，在现代细胞中，对RNA分子的化学修饰有助于确保它们适当的折叠和稳定性，这对它们的功能至关重要。为了测试tRNA分子的化学修饰如何影响它们在无膜区室中的折叠，研究小组从细菌细胞中提取了天然修饰的tRNA分子，并将其折叠与隔室中未修饰的tRNA进行了比较。

“我们测试了先前实验中的三组条件，在所有情况下，修饰的tRNA比未修饰的对应物折叠得更好，错误折叠更少，”Meyer说。“在这里，我们使用了实验室开发的一种高通量基因测序技术，称为tRNA结构-seq，它使我们能够一次确定来自隔室的几种不同tRNA分子的结构。

虽然研究人员知道自然修饰对现代细胞的RNA结构和稳定性很重要，但Meyer说，新的研究表明它们可能对地球生命的早期发展也很重要。

“使用来自具有现代化学修饰的现代细胞的tRNA，我们已经证明了修饰可以帮助在原始细胞内具有挑战性的环境中折叠RNA的原理，”Bevilacqua说。“未来的研究将确定这种修改是如何在早期地球上发生的。

研究人员还指出，RNA修饰的丧失也与人类疾病有关，化学修饰对于RNA疗法（如疫苗）的功能很重要。

“我们在这项研究中开发的技术和工具可以帮助我们了解RNA的修饰如何影响人类健康并有助于开发新的RNA药物，”Meyer说。

更多信息：McCauley O. Meyer等人，富肽液滴内的RNA折叠研究揭示了修饰核苷在生命起源中的作用，科学进展（2023）。DOI：10.1126/sciadv.adh5152