Evolution of the substrate specificity of an RNA ligase ribozyme from phosphorimidazole to triphosphate activation

核酶 RNA连接酶 连接酶核酶 DNA连接酶 核糖核酸 生物 生物化学 三磷酸核苷 定向进化 细胞生物学 核苷酸 基因 突变体
作者
Saurja DasGupta,Zoe Weiss,Collin Nisler,Jack W. Szostak
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:121 (38)
标识
DOI:10.1073/pnas.2407325121
摘要

The acquisition of new RNA functions through evolutionary processes was essential for the diversification of RNA-based primordial biology and its subsequent transition to modern biology. However, the mechanisms by which RNAs access new functions remain unclear. Do RNA enzymes need completely new folds to support new but related functions, or is reoptimization of the active site sufficient? What are the roles of neutral and adaptive mutations in evolutionary innovation? Here, we address these questions experimentally by focusing on the evolution of substrate specificity in RNA-catalyzed RNA assembly. We use directed in vitro evolution to show that a ligase ribozyme that uses prebiotically relevant 5′-phosphorimidazole-activated substrates can be evolved to catalyze ligation with substrates that are 5′-activated with the biologically relevant triphosphate group. Interestingly, despite catalyzing a related reaction, the new ribozyme folds into a completely new structure and exhibits promiscuity by catalyzing RNA ligation with both triphosphate and phosphorimidazole-activated substrates. Although distinct in sequence and structure, the parent phosphorimidazolide ligase and the evolved triphosphate ligase ribozymes can be connected by a series of point mutations where the intermediate sequences retain at least some ligase activity. The existence of a quasi-neutral pathway between these distinct ligase ribozymes suggests that neutral drift is sufficient to enable the acquisition of new substrate specificity, thereby providing opportunities for subsequent adaptive optimization. The transition from RNA-catalyzed RNA assembly using phosphorimidazole-activated substrates to triphosphate-activated substrates may have foreshadowed the later evolution of the protein enzymes that use monomeric triphosphates (nucleoside triphosphates, NTPs) for RNA synthesis.

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