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生命起源之谜:RNA世界假说将迎来终结?

发布时间:2019-04-26 04:25 来源:未知 编辑:admin

  ○ 流行的理论认为,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元。但是,多肽和RNA混合起来或许会更高效。 图片来源:Novikov Aleksey

  在过去的几十年中,生命起源理论几乎都围绕RNA而展开;如今,新的研究正试图摒弃RNA世界假说的陈念,设想着生命的其他起源方式。

  四十亿年前,地球的原始化学汤中开始出现后来发展出生命的大分子。尽管目前科学家对于这些生命分子的具体成分还在进行着激烈的争论,但他们一致认为这些分子应该承担两项重要功能:储存信息和催化反应。在现代生物细胞中,这两项任分派给了 DNA和蛋白质。当下,生命起源研究和生物课本的主流观点认为,这两项任务最初都由 RNA 完成,它为随后 DNA 和蛋白质的接管铺平了道路。

  这项假说在20世纪60年代提出,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,它们往往被认为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有着更多的实验证据。2017年11月,Quanta Magazine 报道了另一生命起源的可能模型:类蛋白,而非 RNA 是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,其中涉及了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。

  最近,分别发表在 Biosystems 与 Molecular Biology and Evolution 上的两篇文章提出,RNA 世界假说不足以为后续的演化事件提供充足的基础。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“权宜之计”:“如果按照我们现在对生命的特征的认识而言,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。他们主要考虑的是反应催化作用: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“化学反射性”(chemically reflexive),或许可以催化自身的形成,但缺乏“计算反射性”(computational reflexivity)。

  “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,就一定包含反射信息 (reflextive information)。”Wills 说道。他将信息反射性定义为“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仅仅是化学性的,全然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上的问题。”

  在自然界中,一定存在着一条连接“原始化学汤”与“遗传密码”的更好的捷径。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。

  20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”。

  该想法可看做一种编码的基本模型,也作为 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,Carter 这下气炸了!他十年前就已经提出了肽-RNA 世界,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,基于先前的研究又开始了复杂的新研究。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被称为氨酰基-tRNA 合成酶的20个氨基酸“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。”

  ○ RNA-肽世界:生命或许起源于RNA和肽相互作用所产生的基因编码,通过两种氨基酸(而不是如今的20种)间的选择,自我维持的反应循环产生酶。① “装载酶”与RNA序列配对,协助两类氨基酸构建肽链;②多肽链折叠;③根据折叠后的形状,肽链继续组装氨基酸并形成装载酶;④酶和RNA相互作用,使酶装载的氨基酸形成肽链。 图片来源:Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

  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,这表明它们必然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。

  哲学家、数学家哥德尔(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哥德尔定理存在相似之处。他说:“我相信该发现与哥德尔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。

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