PLoS Comput Biol:转移RNA结构中发现生命历史

转移RNA的结构提供了早期进化史的线索，图中红色区域为最古老的。
（图片来源：Gustavo Caetano-Anollés）
转移RNA是一种历史悠久的分子，对细胞执行的每一项任务都很重要，因此也对所有生命至关重要。来自美国伊利诺伊大学的一项新的研究表明它也是一位伟大的历史学家，在其结构中保存了进化史上的一些最早和最重要的事件。
这项研究的论文由农作物科学教授Gustavo Caetano-Anollés和博士后研究员Feng-Jie Sun共同撰写，论文发表在了3月7日出版的《公共科学图书馆?计算生物学》（PLoS Comput Biol.）杂志上。Caetano-Anollés是伊利诺伊大学基因组生物学研究所的成员。
在目前发现的成千上万种RNA中，转移RNA（tRNA）是基因和蛋白质之间最直接的媒介。像许多其他RNA（核糖核酸）一样，tRNA帮助把基因翻译成构成蛋白质的氨基酸链。在高度靶向的酶的帮助下，每个tRNA分子识别并与特定的氨基酸结合，然后它把氨基酸运送到合成蛋白质的系统中。为了把它携带的氨基酸成功地加入一个正在建造的蛋白质的末端，tRNA还必须准确地阅读信使RNA的编码段，后者给出了蛋白质的氨基酸准确顺序的指令。
Caetano-Anollés说，tRNA对于建造蛋白质的任务如此重要这一事实可能意味着它在很早之前就出现了。他的研究始于一种直觉，即理解tRNA的结构属性有可能为生物体和病毒如何进化提供新信息。
“或许在进化中有一些非常基本的东西，以至于它们被保存、传递了数百万年，或者甚至数十亿年，” Caetano-Anollés说。“它们是化石，能告诉我们过去情况的分子化石。因此，研究这些分子可以解决生物学和进化中的基础问题。”)
所有的tRNA都会自我组装成一种形状，如果把它压扁了，就像一片苜蓿叶。这个研究组从寻找这种苜蓿叶结构的模式入手，使用了数百种分子的详细数据，这些分子代表了病毒以及生物的三个超界（superkingdom）：古菌（archaea）、细菌（bacteria）和真核生物（eukarya）。
这组科学家把各个tRNA苜蓿叶结构的所有特征转化成了编码符号，这个过程可以让计算机搜索最“简约”（即尽可能简单的）tRNA系统树。他们对每一个超界的tRNA也进行了同样的分析，从而弄清这些分组在整个系统树中的分化有多遥远。这种比较可以让他们确定病毒和每一个超界的分化顺序。
这一新的分析支持了此前的一项研究，该研究认为古菌作为一个在进化上具有可辨别特征的群体是首先出现的。古菌是可以在沸腾的酸液、靠近含硫的海底火山喷口或者其他极端环境中生存的微生物。此前的那项研究也是由Caetano-Anollés领导的，它分析了蛋白质折叠（蛋白质中精确成形的区域，它们让蛋白质具有了其功能）的广大分类，把它当作进化史的一种指南手册。
“转移RNA的数据与我们此前的数据相符合，” Caetano-Anollés说。“这很重要，因为两类独立的证据相互支持。”
Caetano-Anollés说，新的分析还表明病毒是在古菌出现之后不久出现的，而真核生物和细菌依次在更晚的时候出现。这一发现可能影响目前的一个争论，即病毒究竟是在细胞出现之前还是之后才存在。他说：“这一发现支持了病毒起源于细胞域的理论。”（来源：EurekAlert!中文版）
生物谷推荐原始出处：
PLoS Comput Biol.），doi:10.1371/journal.pcbi.1000018，Feng-Jie Sun，Gustavo Caetano-Anollés）
Evolutionary Patterns in the Sequence and Structure of Transfer RNA: Early Origins of Archaea and Viruses
                              Feng-Jie Sun, Gustavo Caetano-Anollés
Abstract
Transfer RNAs (tRNAs) are ancient molecules that are central to translation. Since they probably carry evolutionary signatures that were left behind when the living world diversified, we reconstructed phylogenies directly from the sequence and structure of tRNA using well-established phylogenetic methods. The trees placed tRNAs with long variable arms charging Sec, Tyr, Ser, and Leu consistently at the base of the rooted phylogenies, but failed to reveal groupings that would indicate clear evolutionary links to organismal origin or molecular functions. In order to uncover evolutionary patterns in the trees, we forced tRNAs into monophyletic groups using constraint analyses to generate timelines of organismal diversification and test competing evolutionary hypotheses. Remarkably, organismal timelines showed Archaea was the most ancestral superkingdom, followed by viruses, then superkingdoms Eukarya and Bacteria, in that order, supporting conclusions from recent phylogenomic studies of protein architecture. Strikingly, constraint analyses showed that the origin of viruses was not only ancient, but was linked to Archaea. Our findings have important implications. They support the notion that the archaeal lineage was very ancient, resulted in the first organismal divide, and predated diversification of tRNA function and specificity. Results are also consistent with the concept that viruses contributed to the development of the DNA replication machinery during the early diversification of the living world.