《Proceedings of the National Academy of Sciences》：Coevolution of RNase P and the ribosome
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本文综述通过对核糖核酸酶P (RNase P, RPR) 及核糖体 (ribosome) 三维结构的“吸积模型”分析，重构了这两种古老核糖核蛋白复合物在生命最后共同祖先 (LUCA) 前的演化路径。研究揭示了它们如何通过模块化RNA片段 (AES/ES) 的逐步叠加实现协同进化，并与转运RNA (tRNA) 成熟及蛋白质翻译功能紧密耦合，为理解生命核心分子机器的起源与早期演化提供了关键见解。
引言：探索生命核心机器的起源
翻译作为中心法则的最终步骤，由生物学中最保守的分子机器执行。其中，核糖体与核糖核酸酶P (RNase P) 是两大核心参与者。它们作为古老的核糖核蛋白 (RNP) 复合物，在生命的最后共同祖先 (LUCA) 时期已达到结构和功能的成熟。理解这些复合物的起源与早期演化，对于揭示生命分子机器的诞生至关重要。本研究将先前应用于核糖体演化的结构系统发育框架——吸积模型，扩展到负责前体tRNA加工的RNase P，旨在重构其演化时序，并探讨其与核糖体、tRNA的共进化关系。
吸积模型：解码RNA演化的结构记录
吸积模型为理解古老RNA的演化提供了一种现象学框架。该模型认为，古老的RNA通过连续的、递归的方式生长，新的RNA片段（称为扩展片段，ES）在不改变已有支架结构的前提下，逐步添加到预先存在的RNA骨架上。这些添加位点由特征性的结构特征标记，称为插入指纹。在普遍保守的核糖体核心中识别出的插入指纹，使得定义早于LUCA的祖先扩展片段 (AES) 成为可能。AES和ES是独立的折叠单元，其特征是碱基对的共轴排列和连续的堆积相互作用，并通过插入指纹相互分离。RNase P与核糖体在许多方面具有共性：同是古老的多周转核酶，同是翻译机器的组成部分，其RNA核心 (RPR) 在二级和三维结构上高度保守，而蛋白质组分则在生命树中表现出相当大的变异性。这使得RNase P成为应用吸积形式体系分析的理想靶标。
关键的修正：RPR二级结构的重新定义
将吸积模型应用于RPR时，遇到了一个关键挑战。传统的RPR二级结构模型（其中P2被指定为二级结构元素，P4为形成假结的三级结构元素）与吸积过程不兼容，会导致螺旋P1、P4、P5和P15的缠结，无法建立连续的吸积年代表。然而，基于RPR折叠动力学研究表明P2在P4之后形成，这促使了对二级结构的修订。在修订的模型中，P4被重新归类为二级结构元素，而P2是形成假结的三级结构元素。这一修订消除了结构缠结，并且只有在修订的二级结构框架内，RPR的吸积才成为可能。这一修正凸显了正确区分RNA二级和三级相互作用对于确定正确演化轨迹的必要性。
重构LUCA时期的RNase P
研究人员利用来自298个古菌和337个细菌物种的完整RPR序列的二级结构信息，并结合三个主要生命领域的RPR三维结构，对LUCA时期的RPR祖先状态进行了建模。通过将二级结构元素映射到基于核糖体蛋白序列构建的系统发育树上，并分析结构元素在各谱系中的分布，最终推导出LUCA时期RPR最简约的估计。LUCA时期的RPR由AES组成，其螺旋元件要么在古菌和细菌集合中完全保守（P1、P4、P5、P7、P9），要么广泛存在于包括深部分支物种在内的多个门类的大多数谱系中（P2、P3、P6、P8、P10、P11、P12、P16、P17、P19）。
RPR的吸积模型：从催化域到完整核心
基于修订的二级结构和三维结构，研究构建了RPR的演化轨迹吸积模型。该模型描绘了RPR作为一个原始RNA，通过吸积获得质量并逐步成熟的图景。
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催化域的形成：第一个吸积事件涉及两个预先存在的茎-肘-茎基序AES1和AES2的融合，这建立了RNase P的原始RNA祖先。AES1由共轴堆叠的螺旋P1、P4和P5组成，是RNase P中最保守的元素，参与催化金属离子的配位并与前体tRNA的接纳茎结合。AES2包含螺旋P15、P16、P2的一条链和P19，与前体tRNA的5‘前导序列和3’ CCA尾部相互作用。随后，AES3的插入导致了假结P2的形成，从而整合了催化域的核心。假结的形成需要吸积后的重塑：入侵的AES适应其构象，与另一个螺旋相互作用并最终破坏它，与其一条链配对。
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特异性域的获得：RPR经历了一系列额外的扩展，增强了对前体tRNA的识别。AES4吸积到AES1上，包裹了前体tRNA的TΨC茎。AES5进一步扩展，与tRNA的T环相互作用。AES6的吸积与预先存在的AES5形成三级碱基对，两者共同形成了一个与tRNA肘部相互作用的、高度保守的基序。值得注意的是，这个AES5/AES6模块与核糖体大亚基 (LSU) rRNA的L1茎中的一个模块几乎完全相同，两者都用于识别tRNA肘部。
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结构域的整合与稳固：AES7和AES8整合了特异性域和催化域的核心，为RPR提供了全局稳定性。AES7桥接了特异性域和催化域，通过两个A-微小相互作用实现：P9的末端环与P1的小沟，以及P8的末端环与P4的小沟。AES8延伸了AES2，通过形成假结P6，在催化位点附近为AES1和AES2提供了额外的结构完整性。随着AES7和AES8的吸积，RPR的通用核心得以建立。
LUCA之后RNase P的演化：分化与简化
与rRNA类似，RPR的共同核心通过获得AES而增长，并通过谱系特异性获得ES而精细化。然而，与rRNA不同的是，RPR在许多谱系中经历了显著的缺失。
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细菌中的变异：谱系特异性扩展片段ES2.1和ES5.3广泛分布于大多数细菌中，可能存在于最后一个细菌共同祖先 (LBCA) 的RPR中。它们提供了结构稳定性，但不直接与底物相互作用。一些细菌谱系（如Bacilli-Mollicute谱系）缺失了LUCA时期存在的RPR元件（如整个AES8和部分AES2），这些缺失通常与ES的添加同时发生，ES提供了替代的结构桥接，从而促进了缺失的发生。
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古菌和真核生物中的蛋白化与简化：古菌/真核生物谱系的RNase P经历了广泛的蛋白质化。最后一个古菌共同祖先 (LACA) 获得了5个蛋白质，这些蛋白质为RPR提供了结构稳定，并直接与底物相互作用。这些蛋白质的获得使得RPR能够发生更大幅度的缺失，且这些缺失通常不与ES的添加 coincident，而是由于RNase P蛋白质的存在而被容许。例如，AES8和AES2是常见的缺失位点，导致P6的缺失，且缺失范围通常比细菌中更广。在极端情况下（如Thermoproteaceae），大部分特异性域（包括整个AES5和AES6）都已丢失。尽管简化常见，但扩展也存在，例如ES5.1、ES5.2和ES3.1，它们通常提供了额外的RNase P蛋白质结合位点。
讨论：RNase P、tRNA与核糖体的共进化
研究利用tRNA作为分子钟，来链接和统一RPR、tRNA和rRNA的演化轨迹。其基本假设是，与tRNA相互作用的顺序性获得在RPR和rRNA中是同时发生的。
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统一的共进化模型：核糖体共同核心的演化分为六个阶段。共进化模型认为，RPR和rRNA的催化祖先早期识别tRNA微型螺旋（阶段2和3）。随后，tRNA通过在其微型螺旋上吸积反密码子茎而形成回旋镖状的原型tRNA（阶段4）。tRNA的进一步精细化涉及D环和T环的成熟，形成具有特征性肘部的现代结构（阶段5）。rRNA和RPR的祖先催化位点都是通过融合两个茎-肘-茎元件这一共同过程形成的（阶段2）。两者催化位点都与原型tRNA的3‘尾和接纳茎相互作用。后期状态（阶段4）则与tRNA的TΨC茎接触。而只有成熟状态的rRNA和RPR（阶段5）才与tRNA肘部接触。
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肘部识别基序：共同起源的证据：在RPR的特异性域 (AES5&6) 和rRNA的L1茎中出现完全相同的tRNA肘部识别基序，是一个惊人的相关性。它在两者中执行基本相同的功能，并通过相同的G19:C56平台堆叠在tRNA肘部上。在动物线粒体中观察到的反向演化过程（tRNA肘部缺失，同时rRNA的L1茎缩减，且RPR被完全蛋白质化的、进化上无关的形式取代）为这种耦合提供了额外支持。考虑到该基序的复杂性、功能的相似性以及RNA元件的流动性，一个更合理的假设是，该肘部识别基序起源于一次，然后在rRNA和RPR之间发生了转移，或源自一个共同的祖先来源，而非各自独立演化。
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RPR与rRNA演化的差异：尽管RPR和rRNA遵循相似的吸积原则演化，但两者也存在显著差异。RPR的共同核心在演化过程中可塑性更强。rRNA在几乎所有谱系中都包含几乎所有核糖体AES，而RPR的共同核心在许多谱系中被简化，在某些生物中被完全取代。细菌和古菌的RNase P遵循了 divergent 的演化路径：细菌主要通过获得额外的RNA扩展来实现多样化；而古菌则通过招募额外蛋白质，并与广泛的RNA简化相关联。
吸积模型的普遍性与意义
本研究结果证明了吸积模型对于理解古老RNA起源和演化的普遍效用。该模型提供了一个现象学的、基于层次的框架，使得大RNA的演化生长可以被合理化与可视化。它从现存分子的三维结构中推断出一系列规则和约束，为从原始片段到现代生物学中观察到的成熟复合物提供了一条合理的路径。多次体外选择实验表明，对于功能RNA而言，导致新核心结构的演化路径是罕见的，而在保守RNA结构上的精细化则容易导致适应度增强。因此，通过吸积（即通过精细化而不显著改变已有核心结构的方式生长）演化的倾向似乎是RNA演化的内在特性。
结论
RNase P与核糖体具有许多共同点：两者都是多周转核酶，执行翻译所需的功能，都是通过吸积演化的RNA-蛋白质复合物，并且共享共同的结构基序。数据支持一个RPR、tRNA和rRNA共进化的模型，反映了在共同环境中的共享功能约束和演化压力。通过吸积模型对RPR的演化进行重构，支持了吸积过程作为生命黎明时期结构RNA分子演化的一个内在特征。该模型的应用需要正确区分二级和三级元素。它为未来的实验工作提供了蓝图，用于评估沿着特定预测演化路径发生的结构、活性和特异性变化，并提议应对本研究中提出的RNase P祖先元件进行折叠、组装以及与前体tRNA和其他底物的催化活性进行探测。
