地球上生命的起源及其数十亿年的演化继续引起全世界研究人员的兴趣。中则或遗传信息从脱氧核糖核酸 (DNA) 模板到核糖核酸 (RNA) 转录物并最终进入功能蛋白的定向流动，是细胞结构和功能的基础。 DNA作为细胞的蓝图，携带合成功能性蛋白质所需的遗传信息。相反，DNA 的合成需要蛋白质。因此，到底是DNA先出现还是蛋白质先出现，仍然是一个争论的问题。

这种“先有鸡还是先有蛋”问题的分子版本引出了“RNA 世界”的提议。 “核酶”或RNA酶形式的RNA携带与DNA类似的遗传信息，并且还具有与蛋白质类似的催化功能。核酶的发现进一步推动了RNA世界假说，即RNA具有“遗传信息存储”和“催化”双重功能，仅通过RNA促进原始生命活动。虽然现代核糖体是 RNA 和蛋白质的复合体，但早期进化阶段的核酶可能是通过各个功能性 RNA 单元的组装而拼凑在一起的。

为了验证这一假设，东京理科大学生物科学与技术系的田村浩二教授及其研究团队进行了一系列实验来解码功能性核酶的组装。为此，他们设计了一种人工核酶 R3C 连接酶，以研究单个 RNA 单元如何聚集在一起形成功能结构。Tamura 教授在 2024 年 4 月 17 日发表于《Life》杂志上，进一步深入了解了他们的工作，指出：“R3C 连接酶是一种核酶，可催化两个 RNA 分子之间形成 3',5'-磷酸二酯键。我们通过添加可以与各种效应器相互作用的特定域来修改结构。”

在核糖体(蛋白质合成的场所)内，RNA 单元组装起来，发挥肽基转移酶中心 (PTC) 的作用，形成支架，用于招募附着在 tRNA 上的氨基酸(肽/蛋白质的单个成分)。这是对蛋白质合成系统进化史的重要洞察，但不足以追踪基于RNA世界假说的进化路径。

为了探索通过将单个 RNA 单元连接在一起而实现的 RNA 延伸是否受到变构调节，研究人员改变了 R3C 连接酶的结构。他们通过将结合三磷酸腺苷(ATP)(细胞中重要的能量载体分子)的短RNA序列整合到核酶中来做到这一点。研究小组指出，R3C 连接酶活性取决于 ATP 浓度，ATP 浓度越高，活性越高。此外，解链温度( T m值)的升高表明 ATP 与 R3C 连接酶的结合稳定了结构，这可能影响其连接酶活性。

同样，在将 L-组氨酸结合 RNA 序列与核酶融合时，他们注意到组氨酸(一种关键氨基酸)浓度增加时连接酶活性增加。值得注意的是，活性的增加特定于 ATP 或组氨酸浓度的增加;没有观察到对其他三磷酸核苷酸或氨基酸的反应发生变化。这些发现表明 ATP 和组氨酸作为效应分子触发核酶的结构构象变化，从而进一步影响酶的稳定性和活性。

ATP 是细胞的中心能量载体，支持许多分子过程，而组氨酸是酶活性位点中最常见的氨基酸，并维持其酸碱化学性质。鉴于 ATP 和组氨酸在 RNA 相互作用和分子功能中的重要作用，这些结果为 RNA 在早期进化中的作用(包括遗传密码的起源)提供了新的见解。此外，工程核酶(例如本研究中开发的核酶)在多种应用中具有重大前景，包括靶向药物输送、治疗、纳米生物传感器、酶工程以及用于各种工业过程的新型酶的合成。

总的来说，这项研究可以深入了解从 RNA 世界到现代“DNA/蛋白质世界”的转变是如何发生的。对 RNA 世界的基本了解反过来可以增强它们在现实生活中的应用。

“这项研究将阐明 RNA 进化中‘基于变构的功能和协同性获得’的过程。这项研究中应用的 RNA-RNA 相互作用、RNA-氨基酸相互作用和变构性可以指导任意 RNA 纳米结构的制造，具有多种应用，” Tamura 教授总结道。