[論文レビュー] A minimal scenario for the origin of non-equilibrium order

Riccardo Ravasio, Kabir Husain+5 more|PubMed|May 17, 2024

Evolution and Genetic DynamicsBiochemistry, Genetics and Molecular Biology被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、自己複製系における非平衡秩序が、秩序そのものに対する直接的選択によって生じるのではなく、複製時間が高い分散を示す場合に、高速複製に対する選択の必然的副産物として生じることを提案している。ポリメラーゼと自己集合を幾何的ねじれの影響を受けるものとしてモデル化することで、著者らは、幾何的ねじれに起因する遅れによって、キネティックプローフリーディングと構造的秩序が自発的に出現することを示し、機能的利点がなくても、複製が速くなり、集団内で優位になることを明らかにした。

ABSTRACT

Life uses non-equilibrium mechanisms to create ordered structures not attainable at equilibrium; the resulting order is assumed to provide functional benefits that outweigh costs of time and energy needed by these mechanisms. Here, we show that models of DNA replication and self-assembly, when expanded to include known stalling effects, can evolve error correcting mechanisms like kinetic proofreading and dynamic instability through selection for fast replication alone. We abstract these results into a general framework that predicts a counterintuitive ''order through speed'' effect if the distribution of replication times is wide enough. We test our results against recent mutational screens of proofreading polymerases. Our work suggests the intriguing possibility that non-equilibrium order can evolve even before that order is directly functional, with consequences for the evolution of mutation rates, viral capsid assembly, and the origin of life.

研究の動機と目的

• 自己複製系において、秩序そのものに対する直接的選択がなければ、非平衡秩序が自発的に出現しうるかを調査すること。
• テンプレート駆動複製および自己集合における停止が、エラー補正機構の進化にどのように影響するかを検討すること。
• 複製速度の選択のみによって、秩序強化機構が進化する最小限の条件を特定すること。
• 複製時間の分散と散逸的秩序の自発的出現との間の一般原理を抽象化すること。
• 生命の起源、酵素の正確性、自己集合ダイナミクスへの示唆を検討すること。

提案手法

• 誤挿入に起因する停止効果を含むDNAポリメラーゼのモデル化を行い、正確性を向上させるためのキネティックプローフリーディングをメカニズムとして組み込む。
• 複製時間分布に高い分散を組み込み、高次元空間における幾何的ねじれとコンformational searchの影響をシミュレートするため、モデルを拡張する。
• 誤挿入が遅延を引き起こすマルチコンponent自己集合プロセスを分析し、非平衡チェックポイント機構が選択され、構造的秩序が向上することを検証する。
• 統計力学と非平衡ダイナミクスを用いて、複製速度、エラー補正、秩序強化の間の関係を形式化する。
• 核心原則の抽象化：複製時間の分散が大きい場合、秩序強化機構を有する系がより速く複製され、集団内で優位になる。
• リボザイム、ウイルスキャピシド、リボソームを含む多様な系にフレームワークを適用し、生物学的文脈を超えた一般性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 秩序が直接的な適合度的利益を提供しなくても、自己複製系において非平衡秩序が出現しうるか？
• RQ2 複製または自己集合中の停止効果が、キネティックプローフリーディングと構造的秩序の自発的進化をどのように引き起こすか？
• RQ3 複製時間の分散が、秩序強化機構の選択に果たす役割は何か？
• RQ4 高速複製の選択のみが、散逸的秩序の出現を引き起こす条件は何か？
• RQ5 このメカニズムは、秩序の機能的利点を仮定せずに、高正確性複製および複雑な自己集合の進化を説明できるか？

主な発見

• 誤挿入に起因する停止によるエラー補正のおかげで、複製速度が速くなる系は、秩序が機能的利点を持たない場合でも、他の系に勝り、競争で優位になる。
• 秩序強化機構が選択されるためには、複製時間の分布に十分な分散が必要であり、分散が大きいほどエラー補正プロセスの優位性が顕著になる。
• ポリメラーゼモデルでは、証明読み取りが存在する場合、誤挿入に起因する停止が、非生産的経路に費やす時間を減らすことで、全体の複製が速くなる。
• 自己集合においては、幾何的ねじれと誤挿入に起因する一時停止が、直接的な機能的選択がなくても、非平衡チェックポイント機構の選択を促進し、構造的秩序を向上させる。
• エラー補正が複製経路のエントロピーを低下させ、効果的にそれらをより速く秩序ある経路へと導くことから、反直観的な速度-正確性関係が生じる。
• このメカニズムは、秩序の機能的役割が登場する前から、エラー補正リボザイムや高正確性酵素の自発的出現を説明する妥当な経路を提供する。