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RNA 时代的终结

 2018/1/9 9:47:46 《最新论文》 作者:科研圈 我有话说(0人评论) 字体大小:+

在过去的几十年中,生命起源理论几乎都围绕 RNA 而展开描述;如今,新的研究正试图打破 RNA 世界假说的陈念,为生命起源带来新的设想。

原作:Jordana Cepelewicz 翻译:卓思审校:韩宇

流行的学说认为,生命起源于物质丰富的化学汤,而 RNA 是化学汤中最初的自我复制单位,被看作是地球生命的起源物质。但是,多肽和 RNA 组合起来或许会获得更高的效率。

四十亿年前,地球的原始化学汤中开始出现生命分子。尽管目前科学家对于这些生命分子的存在与组成尚存争议,但他们一致认为这些分子应该承担两项重要功能:信息储存和反应催化。在现代生物细胞中,这两项任务分别由 DNA 和 DNA 指导合成的蛋白质完成。当下,生命起源研究和生物课本的主流观点认为,这两项任务最初由 RNA 执行,它为随后 DNA 和蛋白质的接管铺平了道路。

这项假说在 19 世纪 60 年代被提出,又在此二十年后被称为“RNA 世界”,——吉尔伯特(W. Gilbert)因此获得了 1981 年度诺贝尔化学奖。此后,该理论成为了解释生命起源的最可能假说。关于生命起源的假说“世界”有很多,但比起 RNA 世界,但它们往往是天马行空的想象或异想天开的思想实验,只能作为后备理论。

究其原因,除理论外,RNA 世界的巩固得益于它比其他理论更多的实验证据。2017 年 11 月,Quanta Magazine 报道了另一生命起源的模型:类蛋白,或许曾代替 RNA 作为地球上最先出现的自我复制单位。但是,这一发现仅停留在了计算层面,研究者才 刚刚着手实验去寻找支撑理论的证据。

如今,两位研究者又提出了另一种理论,其中提及了 RNA 和多肽的共同演化。研究者希望该理论能够撼动 RNA 世界的至高地位。

为什么 RNA 世界存在缺陷

最近,分别发表在 Biosystems 与 Molecular Biology and Evolution 上的两篇文章讨论到,RNA 世界假说不足以为后续的演化事件提供充足的基础。因此,两篇文章的共同作者,北卡罗来纳大学的结构生物学家 Charles Carter 表示,RNA 世界学说只是一策“权宜之计”:“根据我们目前所知的生命特征,单一的聚合物不可能执行所有生命必需过程。”

而且,就算存在符合条件的单一聚合物,Carter 及他的团队也不认为会是 RNA。反对者主要考虑到的是反应催化作用:一些研究表明,为了维持生命,这种神秘的聚合物将必须具有调控化学反应速率的作用,并且可控范围可能需高达 20 个数量级。就算 RNA 在生命诞生前的世界里具有如此强的调控能力,它可能也早已适应当时全球 100℃的高温。Carter 表示,一旦地球温度开始下降,RNA 就不可能继续演化和保证各项生命过程的同步进行;不久之后,之前有序进行的各项化学反应又将陷入混乱。

其中可能最关键的是单一 RNA 世界不能解释遗传密码的出现。当下,几乎所有生物体都利用遗传密码将遗传信息翻译成蛋白质。密码指挥 64 种可能的三联核苷酸 RNA 序列与 20 种氨基酸匹配,以此来编码蛋白质。该项研究的合作者、新西兰奥克兰大学的 Peter Wills 认为,仅靠 RNA 难以构建如此严密的编码系统。在 Wills 看来,RNA 具有“化学自反性”,或许可以催化自身的形成,但缺乏“计算自反性”。

“在像有机体使用遗传信息那样的系统中,利用信息合成自身的组件,就一定包含自反信息。”Wills 说道。他将反馈信息定义为“一种当系统解码时,保证组件完全执行特定译码的信息”。RNA 世界假说中的 RNA 仅仅是化学过程,不能控制自身的化学过程。“RNA 世界假设无法解释任何关于遗传学的问题。”

在自然界中,一定存在着一条连接“原始化学汤”与“遗传密码”的最佳捷径。Carter 和 Wills 认为他们已找到这条捷径:一条从肽 -RNA 复合物发展而来的紧凑反馈回路。

引入肽类

19 世纪 70 年代,当 Carter 还在本科学习的时候,他便注意到大多数蛋白中的某些特定结构都是右手螺旋的。也就是说,结构中原子的两种镜像排列方式比例应该相同,但自然结构偏偏只选择其中一种。另外,组成 DNA 和 RNA 的许多核苷酸和糖类也是右手螺旋。Carter 开始思考,RNA 和多肽应该是互补结构,于是他着手建模,发现“它们彼此完美地嵌合,就像手和手套一样的关系”。

该想法预示着编码的最初模型,而该模型也是 RNA 和多肽间信息交流的基础。从更为复杂的现代遗传密码入手,Carter 正一步步绘制他心目中的草图。而 1986 年,RNA 世界理论脱颖而出,激怒了 Carter!他的肽 -RNA 世界可是在此十年前就已经提出了,但却完全被众人忽略。

自那之后,Carter 与 Wills 以及其他人进行了合作,重新回到先前的研究中。他们的主要目标是弄清复杂的、高度特化的现代遗传密码的前身是什么——那大概是个极简的遗传密码。因此,他们将研究点同时放在了计算和遗传学研究上。他们的理论焦点是那 20 个氨酰基 -tRNA 合成酶的“装载”分子。该催化酶使 RNA 按照遗传密码的规则和特定的氨基酸结合。未参与该研究的生化学家 Jannie Hofmeyr 解释道:“在某种意义上,遗传密码是‘写在了’这些酶的特定活性位点上。”

先前研究将这 20 种酶按照结构和序列分为了两组,正好 10 个一组。两组酶含有编码互斥氨基酸的特定序列,这表明它们应该来自同一古基因中的互补链。在这种情况下,研究团队发现,RNA 在指导翻译多肽时仅仅利了是两套规则(或者说只应用了两类氨基酸)。编码得到的多肽产物反过来加强了 RNA 指导的翻译过程,因而形成了理论的关键——紧凑的反馈回路。

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

Gödel 定理与生命化学

哲学家、数学家 Kurt Gödel 曾提出了不完备定理:任何一个可指代自身的逻辑体系中,必存在一个命题,它既不能被证明为真,也不能被证明为假。而 Carter 发现的这种紧凑的反馈回路与 Gödel 定理存在相似之处。他说:“我相信该发现与 Gödel 定理的类比为其存在的必然性提供了强有力的论据。”

在最近的文章中,Carter 和 Wills 的肽 -RNA 世界回答了 RNA 世界不能解释的生命起源史问题。Hofmeyr 说:“他们提供了坚实的理论和实验证据,说明了肽类和 RNA 从一开始就联合参与了遗传密码的起源。而新陈代谢、转录和翻译的构建、基因复制必定是同时发展而成的。”

当然,Carter-Wills 模型的起点是遗传密码,它以转运 RNA 和装载酶存在下的复杂化学反应为基础。研究者宣称,一些关于多肽和 RNA 相互作用的案例激发了他们对该模型的设想(如 20 世纪 70 年代 Carter 描述的复杂情况)。但是,这也为我们留下了许多开放性的问题,如化学世界是如何开始的,最初它是什么样子?

为了解答这些问题,所需要的理论就不可局限于 RNA 世界了。实际上,一些科学家针对 Carter 和 Wills 的理论提出了精准的反驳:他们认为,生命的最初阶段不需要从类似现在的化学过程开始。魏茨曼科学研究院(Weizmann Institute of Science)的基因组学家 Doron Lancet 提出了一种替代理论,该理论与催化各类分子进出的脂质装配有关。他认为,携带信息的不是基因序列,而是这种脂质组件。

如同 Carter 和 Wills 提出的模型一样,Lancet 的想法也包含多种分子。“证据不断地积累,或许可证明这一假设的正确。”Lancet 说道。目前,生命起源的时候发生了什么依然是个谜,但是从大潮流看来,单一的 RNA 世界似乎正在从这一故事中退却出来。

“我们应该把大部分研究焦点从 RNA 世界中转移出来了。”Hofmeyr 说道。

文章来源:https://www.quantamagazine.org/the-end-of-the-rna-world-is-near-biochemists-argue-20171219/