mini|RNA (links) und DNA (rechts) im Vergleich. mini|Strukturmodell eines Ribozyms, eines Bestandteils der RNA-Welt-Hypothese, mit abschnittsweise gepaarten Strängen
Die RNA-Welt-Hypothese besagt, dass den heutigen Lebensformen eine Welt vorausging, deren Leben auf Ribonukleinsäuren (RNA) als universellen Bausteinen zur Informationsspeicherung und zur Katalyse chemischer Reaktionen basierte. Im Rahmen dieser 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 beziehungsweise um diese ergänzt wurde.
Als ein Hinweis auf die Existenz der RNA-Welt werden Ribozyme (katalytisch aktive RNA) angesehen, die als chemische (auch: molekulare) Fossilien evolutionäre Überbleibsel aus dieser Anfangszeit darstellen könnten (ähnlich Lebenden Fossilien); ein Beispiel dafür ist die ribosomale RNA (rRNA). Einen weiteren Hinweis gibt die Reihenfolge der Biosynthese-Pfade. Die Desoxyribonukleotide, aus denen die DNA zusammengebaut wird, werden in der Zelle aus Ribonukleotiden, den Bausteinen der RNA, erzeugt, indem die 2'-Hydroxygruppe entfernt wird. Die Zelle muss also erst in der Lage sein, RNA aufzubauen, bevor sie DNA herstellen kann. mini|Der Hauptunterschied zwischen RNA und DNA ist die Hydroxygruppe an der 2'-Position bei RNA. DNA hat dort stattdessen nur ein weiteres Wasserstoffatom.
Die vier Ribonukleotide können unter bestimmten Umweltbedingungen spontan entstehen.Sidney Becker et al.: Unified prebiotically plausible synthesis of pyrimidine and purine RNA ribonucleotides. Science 366, 2019, doi:10.1126/science.aax2747 (Pressemitteilung, Besprechung in Nature News). Die RNA-Welt-Hypothese ist somit ein Bindeglied zwischen den Hypothesen der chemischen Evolution, welche die Entstehung organischer Moleküle aus anorganischen Verbindungen erklären, und der Kooperation mehrerer RNAs, die eine biologische Selektion in Gang bringen, sowie der heutigen biologischen Evolution auf Basis eines DNA-Genoms. Das Aufkommen zellulärer Lebensformen steht möglicherweise nicht am Ende dieses Prozesses, denn zelluläre Organismen auf RNA-Basis (Ribozyten) könnten bereits in der RNA-Welt entstanden sein.
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 sind RNA wie auch Proteine in der Lage, chemische Reaktionen zu katalysieren.
Entstehung Wenngleich 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 2009 experimentell gezeigt werden, dass aus den einfachen Molekülen Cyanamid, Cyanoacetylen, Glycolaldehyd, Glyceraldehyd und Phosphat, welche mögliche Bestandteile der Ursuppe waren, in wenigen Reaktionsschritten Pyrimidinribonukleotide gebildet werden können. 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.
Die komplexeren Purin-Nukleoside konnten 2016 mit kleinen Molekülen, wie sie heute noch auf Kometen zu finden sind, über den Formamidopyrimidin(FaPy)-Reaktionspfad hergestellt werden. Zuletzt wurde gezeigt, wie die Pyrimidine und Purine auch zusammen unter den gleichen, plausiblen Bedingungen entstehen können.Robert F. Service: Chemists find a recipe that may have jump-started life on Earth. Science News, 2018, doi:10.1126/science.aav7778.
Informationsspeicherung Auf Grund ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften wird die RNA für das ältere Speichermedium für Erbinformationen gehalten als die DNA. So kann beispielsweise der RNA-Baustein Ribose im Gegensatz zur 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 jedoch ist die RNA der DNA unterlegen, da RNA fehleranfällig und somit energieintensiv ist.
Katalyse Mit der Entdeckung, dass die ribosomale RNA des Wimpertierchens Tetrahymena sich selbst spleißen kann, wurde 1982 erstmals der Nachweis katalytischer Eigenschaften von Ribonukleinsäuren (Ribozyme) erbracht. Im Prinzip kann fast jede Nukleinsäure unter geeigneten Bedingungen in eine katalytische Sequenz evolvieren. Insbesondere für die DNA ist dies unter Laborbedingungen gelungen (so genannte Desoxyribozyme, auch DNAzyme). In der Natur wurde dies aber noch nicht beobachtet.DNAzymes – How Active DNA Biocatalysts That Destroy Unwanted RNA Molecules Work, auf: SciTechDaily vom 29. Dezember 2021. Quelle: Heinrich-Heine University Duesseldorf. Dagegen konnten (neben künstlich erzeugten Ribozymen) natürliche RNA-Moleküle gefunden werden, die wichtige Bestandteile des Zellstoffwechsels, einschließlich ihrer eigenen Bausteine, produzieren und sogar solche, die zur identischen Vervielfältigung (Replikation) 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. Diese Annahme wurde durch die Entdeckung gestützt, dass die wichtigen katalytischen Zentren der Ribosomen von RNA und nicht, wie vorher angenommen, von Proteinen gestellt werden.
RNA-Netzwerke Im März 2022 berichteten Ryo Mizuuchi et al. davon, dass sich eine einzelne RNA-Spezies (vgl. Spiegelmans Monster) zu einem komplexen Replikationssystem entwickeln kann. In ihrem Fall entstand ein Netzwerk, das fünf RNA-Typen mit verschiedenen Interaktionen umfasste, was die Plausibilität eines evolutionären Übergangsszenarios, wie es für die RNA-Welt-Hypothese benötigt wird, unterstützt.Ryo Mizuuchi, Taro Furubayashi, Norikazu Ichihashi: Evolutionary transition from a single RNA replicator to a multiple replicator network. Nature Communications, Band 13, Nr. 1460, 18, März 2022; doi:10.1038/s41467-022-29113-x. Dazu: Mike McRae: Scientists Create RNA That Evolves on Its Own. This Could Be How Life on Earth Started. Auf: sciencealert vom 18. März 2022. New Insight Into Possible Origins of Life: For the First Time Researchers Create an RNA Molecule That Replicates. Auf: SciTechDaily vom 18. März 2022. Quelle: University of Tokyo.
Zelluläre RNA Für die Entwicklung der RNA-Welt unter den Bedingungen der Darwin’schen Evolution wird eine Kompartimentierung als wichtige Voraussetzung angesehen. 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.
Zwei Zeitalter der RNA-Welt Moderne Ribosomen (die Protein-Fabriken der Zelle) sind aus ribosomaler RNA (rRNA) und Proteinen (rProtein) aufgebaut. Die Proteine scheinen hierbei nur eine Hilfsfunktion zu haben, welche die Übersetzung der Messenger-RNA (mRNA) in ein Protein schneller und/oder sicherer machen, im Prinzip reicht die rRNA als Ribozym für diesen Vorgang aus. Die RNA-Welt kann danach in zwei Zeitalter unterteilt werden: Eine frühe Phase ohne Ribosomen (Primordiale RNA-Welt, mit kurzen Peptidketten abiotischen Ursprungs aus der Ursuppe), und eine spätere mit Protein-Biosynthese durch Ribosomen (RNP-Welt, Ribonukleoprotein). Dazwischen fällt die Entstehung und Evolution des genetischen Codes.Patrick Forterre: The two ages of the RNA world, and the transition to the DNA world: a story of viruses and cells. In: Biochimie. Band 87, Nummer 9–10, 2005 Sep-Oct, S. 793–803, , PMID 16164990. Als die Organismen auf die so erzeugten Proteine angewiesen waren, musste die Evolution des genetischen Codes (weitestgehend) abgeschlossen sein, da eine Änderung des Codes eine Änderung und mögliche Funktionsunfähigkeit fast aller erzeugten Proteine bedeutet. Heute werden daher auch nur noch sehr geringe natürliche Abweichungen des genetischen Codes beobachtet.N. A. Kovacs, A. S. Petrov, K. A. Lanier, L. D. Williams: Frozen in Time: The History of Proteins. In: Molecular biology and evolution. Band 34, Nummer 5, Mai 2017, S. 1252–1260, , PMID 28201543, .T. R. Cech: The RNA worlds in context. In: Cold Spring Harbor perspectives in biology. Band 4, Nummer 7, Juli 2012, S. a006742, , PMID 21441585, .P. T. van der Gulik, D. Speijer: How amino acids and peptides shaped the RNA world. In: Life. Band 5, Nummer 1, Januar 2015, S. 230–246, , PMID 25607813, (Review).
Alanin-Welt-Hypothese mini|Die Alanin-Welt-Hypothese besagt, dass der in der RNA-Welt entstandene genetische Code mit Alanin-Derivaten als meistgenutzten Aminosäuren operiert; andere Möglichkeiten seien denkbar, würden aber in der Natur nicht genutzt. Es gibt mehrere Szenarien, wie die kanonischen Aminosäuren für die Proteinbiosynthese in der RNA-Welt gewählt wurden. Die „Alanin-Welt“-Hypothese stellt die kanonische Aminosäure Alanin in den Mittelpunkt der sogenannten Proteinwelt. Als Sekundärstrukturen von Proteinen herrschen die α-Helix und das β-Faltblatt vor. Die am häufigsten als Monomere ausgewählten Aminosäuren für die ribosomale Synthese der Polypeptidketten können als chemische Derivate des Alanins aufgefasst werden. Sie eignen sich am besten für den Aufbau von α-Helices und β-Faltblätter in Proteinen. Die Alanin-Welt-Hypothese wird praktisch bestätigt durch Alaninscanning, da bei dieser Methode Aminosäuren durch Punktmutationen zu Ala ausgetauscht werden, während die Sekundärstruktur noch intakt bleibt. Auch in der klassischen Röntgenkristallographie kommt dieses Prinzip zur Geltung, da häufig das Polyalanin-Grundgerüst-Modell verwendet wird um dreidimensionale Strukturen von Proteinen zu bestimmen.
In Transmembranproteinen bestehen die membrandurchspannenden Anteile, die als Transmembrandomäne das Protein in der Lipid-Doppelschicht einer Biomembran verankern, soweit bekannt ganz überwiegend aus diesen Sekundärstrukturen.
Prä-RNA-Welt Da die RNA ein bereits sehr komplexes Molekül ist, wurden sowohl alternative als auch ergänzende Hypothesen zur Entwicklung des Lebens auf der Erde entwickelt. Dazu gehört insbesondere eine mögliche Rolle von Proteinoiden, Peptid-Nukleinsäuren (PNA), Threose-Nukleinsäuren (TNA) und Glycerol-Nukleinsäuren (GNA). Da sie chemisch einfacher gebaut sind, werden diese entweder als mögliche Vorgänger der RNA angesehen, oder es wird eine chemische Koevolution angenommen. Für Peptid-Nukleinsäuren konnte nachgewiesen werden, dass sie sich selbst replizieren und als Vorlage der RNA dienen können. Eine Entstehung von Peptid-Nukleinsäuren in der Ursuppe gilt als möglich. Auch die in der Ursuppe vermuteten polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAHs) werden als mögliche Vorgänger der RNA angesehen.
Folgende Hypothesen wurden diskutiert, die andere Nukeinsäure-Welten (Xeno-Nukleinsäuren, XNA) als Vorgänger einer RNA-Welt vorschlagen: XNA allgemein: Robert T. Gonzalez: XNA is synthetic DNA that's stronger than the real thing, in: io9, 19. April 2012