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地球上的生命果真起始自RNA? 精选

已有 44918 次阅读 2014-12-2 07:52 |系统分类:科普集锦|关键词:RNA世界,蛋白质,DNA,生命起源,共同祖先,代谢,信息

浩瀚宇宙可以无始无终,但地球上的生命则不然。什么才是生命真正的开端呢?一些大牌科学家(如诺奖得主克里克、吉尔伯特等)开始推出所谓的RNA世界假说,核心的理由是RNA既是信息的载体,又具有催化功能……

知道一件事的工作原理并不意味着一定就能知道它的来源,这在生命科学中司空见惯,如人们熟知光合作用的机理,但几乎一点都不知道它是如何起源的,人们熟知细胞的运作机制,却一点也不明白细胞是如何起源的……生命起源无法用实验确定性地证实,但人类依旧没有停息探索的脚步……近年,在众多的生命起源学说中,RNA世界假说受到了极大的关注,也被认为是最具可能性的学说,但也不乏批评之声。

1. 现代RNA和DNA特性之比较

在生命世界中,存在与信息相关的两种大分子—脱氧核糖核酸(DNA,图1,图3)和核酸(RNA,图2),它们指挥着数以百万计的物种几乎一切生命过程——发育、生长、繁衍……。但它们的结构组分却很简单:碱基(5种)、核糖(2种)和磷酸(1种),当然,一切的奥秘都匿藏于碱基的序列之中。一个大肠杆菌细胞中只有1种DNA分子(仅1个拷贝),而RNA(mRNA、tRNA和rRNA)分子的类型有数百种之多,分子数达到数十万!在分子组分上,DNA和RNA的差别只有一个碱基不同以及核糖的2’位上是否带有一个羟基(图3)



图1 DNA的结构

RNA由于其五碳糖2′位是羟基,化学活泼性远大于DNA,没有DNA那么稳定,因此作为遗传物质的携带者,RNA不如DNA;RNA在结构上的可塑性与多样性不如蛋白质,不可能形成如蛋白质那般多样的结构,因此在行使生命功能(如多样的形态与适应性等)方面,RNA又不如蛋白质。但是RNA却能将DNA的遗传信息进行翻译、寻找到和携带上特定的氨基酸并制造出蛋白质,当然还需要一些结构蛋白的帮助,因此,RNA扮演着蛋白质与DNA之间桥梁的角色。


2 嗜热栖热菌(Thermus thermophilus)的16SrRNA的二级结构,有四个结构域(5’C3’M3’m),分别用蓝色、紫红色、红色和黄色表示(引自Yusupov et al. 2001

虽然不像DNA那样形成规则的双螺旋结构,RNA的结构也并不简单,如mRNA可回折形成双链,还有各式各样的泡或环,而一个原核细胞的rRNA结构(图2)都复杂得让人难以置信!


图3 RNA的化学结构。RNA和DNA的主要不同在于糖的2'-位多了个羟基基团(引自维基百科)

在现生生物中,RNA作为遗传信息载体的功能很有限,但却在遗传信息的转录、翻译和蛋白质合成中发挥重要作用,此外还具备其它一些细胞生物化学功能(表1)。巴顿等(2010)指出,“RNA的多功能性是它曾经在过去发挥了更加核心的功能的证据”。

表1 现生RNA的功能示例

功能

RNA类型

RNA的功能

翻译

mRNA

DNA转录的产物

tRNA

参与遗传密码子的翻译

rRNA

核糖体亚基的一部分

DNA复制

RNA引物

从RNA引物起始合成后随链

端粒末端转移酶RNA

在线性染色体的末端需要

剪接和RNA的加工

核小RNA(snRNA)

参与剪接

核仁小RNA(snoRNA)

在转录后rRNA的加工时需要

RNA酶P

对tRNA加工很关键

翻译质量控制

TmRNA

在细胞中定位异常蛋白以使其降解

蛋白质转移

信号识别颗粒(srpRNA)

信号识别颗粒(SRP)的一种组分

RNA干扰(RNAi)

很多种

参与真核细胞调节RNA的稳定性,核内翻译

转录识别

6S

调节细菌RNA聚合酶的功能

(引自巴顿等2010)

2. 何为RNA世界假说?

RNA世界假说认为,地球上早期的生命分子以RNA的形式先出现,之后才是DNA;早期的RNA分子同时拥有遗传信息的储存功能(如同当今的DNA一样)和催化能力(如同当今的蛋白质一般),支持了早期的细胞或前细胞生命的运作。将RNA作为原始的独立生命形态的思想可追溯至20世纪60年代,而却是一些身份显赫的大牌科学家:提出生命三域说(真细菌、古菌和真核生物)的美国微生物学家卡尔·沃斯(Woese 1967),诺贝尔生理及医学奖得主、DNA双螺旋的发现者之一的英国学者弗朗西斯·克里克(Crick 1968),英国化学家莱斯利·奥格尔(Orgel 1968)等,但“RNA世界”一词则是由美国物理学家和生物化学家、诺贝尔化学奖得主吉尔伯特(Walter Gilbert)提出。巴顿等(2010)指出,那时该学说主要是理论的,但是当实验揭示即使现在的RNA都还可以作为催化剂时,RNA可以同时是“基因型和表现型”的观点得到了巨大的推进。

Gilbert(1986)认为“在生命起源的某个时期,生命体仅由一种高分子化合物RNA组成。遗传信息的传递建立于RNA的复制,其复制机理与当今DNA复制机理相似,作为生物催化剂的、由基因编码的蛋白质还不存在”。


Walter Gilbert(1932—)

美国佛罗里达大学的合成生物学家Steven A. Benner认为,所谓的“RNA世界”学说与以下两个假设有关:RNA是地球早期的生命形式唯一使用的具有遗传编码性质的生物催化剂,RNA作为自身遗传编码分子的生命形式就是地球上最早出现的第一种生命形式,也是能够对达尔文进化论提供支持的第一种化学体系。第二个假设所需要的证据是,RNA的生命属性是直接从无生命的物质中演变而来的,这一过程要早于所有生命形式的出现(Benneret al. 2007)。


Steven A. Benner

《Lehninger生物化学原理》一书的著者、生物化学家David L. Nelson和Michael M. Cox虚构了一个假想的“RNA世界”情景:从原始大气成分形成包括核苷酸的前生物汤,机缘地产生了具有随机序列的短链RNA分子→一些RNA片段碰巧获得了能催化自身复制的功能(称为自复制RNA),就获得了选择的机会,即自我复制效率最高的核苷酸就会获得更多延续下去的机会,反之就被淘汰了→进一步,自复制RNA的突变体还获得了催化氨基酸缩合成肽的能力,之后,形成的肽类偶然又反过来强化了RNA的自复制能力,这样,RNA分子和协助的肽类开始协同演化,不断产生出更有效的复制系统原始的转录系统不断发展,并伴随着RNA基因组和RNA—蛋白催化功能的发展,RNA基因组开始拷贝到DNA上,DNA基因组不断发展,并在蛋白的催化下,转录到RNA-蛋白复合体(内质网)上(图3)(Nelson& Cox 2004)。


David L Nelson & MichaelM Cox

总的来说,在这种原始的蛋白合成系统中,与自复制RNA互补的DNA分子承担下保存“遗传”信息的功能,RNA分子逐渐向担负蛋白质翻译与合成功能的方向演化,而蛋白质则变成了生化反应的催化能手。最后,原始汤中类似于脂类一样的物质围绕自复制分子的聚集体形成相对不通透的分子层,而这些脂质隔室中的蛋白和核酸的浓度更有利于自复制分子间的相互作用(Nelson & Cox 2004)。


图3 一个假想的RNA世界的起源模式(来源:www.tumblr.com)

美国科罗拉多大学Thomas R. Cech教授(与Sidney Altman分享了1989年的诺贝尔化学奖)列举了支持RNA世界学说的六个方面的原因:RNA既是信息分子又是生物催化剂—既是基因型又是表型—而蛋白质传导信息的能力极为有限,因此,RNA应该能进行自我复制,而事实上RNA也确实能完成为了RNA复制所需要的某种化学过程,从同时在同一地点进行随机化学反应的角度来看,设想一个能自我复制的单一分子类型比设想两种不同的分子(譬如一个核酸和一个能复制该核酸的蛋白质)要更为合理,在所有现存的生物中,核糖体利用RNA的催化作用完成蛋白质合成的关键生化过程,因此在所有现存物种的共同祖先(theLast Universal Common Ancestor,LUCA)那里也必定如此,RNA的其它催化活动—在一个RNA世界中RNA所需要的但在现代的RNA中没有被发现的—一般也在RNA序列的大的组合文库(largecombinatorial libraries)中存在了,能通过SELEX的筛选方法来确认,RNA明显先于DNA,因为RNA的核苷酸前体的生物合成需要多种酶的催化,而脱氧核苷酸的生物合成衍生自核苷酸的生物合成,仅添加了两个额外的酶促反应步骤(胸苷酸合成酶和核苷酸还原酶),一个原始的RNA世界具有出色的特征连续性,它能通过先前的事件进化到现在的生命之中(Cech 2012)。但是,Cech承认并不清楚一个基于完全不相关的化学过程的自复制系统是如何被RNA所取代的。


Thomas Robert Cech (1947—)

Cech(2012)描绘了一个假想的RNA世界模型(图4),许多被隔离开来的复杂有机分子的混合物没能获得自复制,因此消亡了(如虚线所示),而通向自复制RNA的路线作为现代的祖先而被保存下来,在自复制RNA左边的数个箭头表示RNA之前可能存在过的自复制系统。大到可以折叠并具有有用功能的蛋白质只有在RNA能够催化肽类片段连接或氨基酸聚合才开始出现,虽然氨基酸和短肽在最左边的混合物中就存在了。DNA担负起基因组功能是更加后期的事情,虽然仍然大于10亿年前。现存物种的共同祖先已经具有了一个DNA基因组,能够利用蛋白酶以及核糖核蛋白酶(譬如核糖体)和核酶来进行生物催化。


图4 一个RNA世界模型,描述地球上生命进化过程中依次出现RNA、蛋白质和DNA(引自Cech 2012)

Benner等(2007)指出,“在今天的地球上,假如真有一些来自现代生命的生物催化剂,RNA就是其中具有指导自身复制功能的一种独特催化剂……RNA的这种独特功能使得有机化学体系成为达尔文进化理论的有力支持者,这是目前化学领域中唯一已知的天然产物产生功能行为的化学过程。只有一种另类分子—DNA,具有相似的特殊性”。

   巴顿等(2010)指出,“考虑现生RNA和核糖核苷酸涉及的分子和过程,很多是普遍存在的而且是古老的。因此,这些分子和过程被称为分子化石。例如,很多生物体内的关键辅酶(如NAD+和FAD)是来源于核糖核苷酸的。脱氧核糖核苷酸是从核糖核苷酸合成的。DNA复制需要RNA引物。ATP,这种普遍的能量载体也是核糖核苷酸。RNA这些古老的功能提示它在早期生命起源过程中起到了关键作用”。

3. 对RNA学说之诘难

首先,神学家坚决反对RNA世界假说(其实它们反对一切关于生命自然起源与进化的学说)。譬如,土耳其的神创论者哈荣•雅荷雅(2003)就无情地抨击道,“在每一个环节上拼凑起来的、不可能的链接,即这个不可信的假想,对生命的起源远远没有做出解释,只是扩大了这一问题,并引出许多没有答案的问题”。其实,在关于生命起源的太多环节上依靠主观臆想的情节拼接是不可避免的事实,不光RNA世界学说,其它学说也大抵如此,没有人能发现比这更幸运的方式。

雅荷雅(2003)质问道,“即使我们假设它是偶然形成的,那仅仅由核苷链组成的RNA,又如何‘决定’自我复制,并根据哪一种来实现自我复制呢?又从哪里获得自我复制时所需的核苷呢?”。笔者喜欢雅荷雅的质疑方式,但不喜欢他把问题引向“真主”!Joyce和Orgel(1999)说,“从某种意义上来讲,这一讨论集中到稻草人上了:RNA分子自我复制的神话—重新从随意的、多聚核苷酸汤引发的神话。这个概念不仅不切合目前我们所理解的生命起源以前的化学概念,同时也损伤了RNA通过自我复制而成为分子的乐观派的观点”。


哈荣·雅荷雅(1956~)

一些科学家也缺乏信心,甚至加入到诘难的行列中来。已故纽约大学的化学家夏皮罗(Robert H. Shapiro)曾说:“根据化学运作原理,要形成这样一种分子绝不可能。在这个领域里,这是不可能的事。要接受这个观点,除非你相信我们有难以置信的幸运。Horgan(1991)问道,“RNA最初是怎样出现的?RNA及其成分难以在实验室最好的条件下合成,它在真正的似是而非的条件下更难合成了”。


Robert H. Shapiro (1935-2004)

已故的法国生物化学家、诺贝尔生理学或医学奖得主莫诺(Jacques Lucien Monod)指出,“如果不翻译,密码(DNA和RNA的信息)就毫无意义。现代细胞密码翻译器,至少由50个大分子组成,且在DNA中自我编码:密码不能翻译,而靠产品自己的翻译。这种循环何时、以何种方式才会密切起来?这是极难想象的”(Monod 1971)。因此,雅荷雅(2003)进一步质疑道,“在原始地球上,RNA链怎能做出决定,并用何种方法来‘制造’蛋白产品—自己替代50种专门粒子的功能?进化论者对此无言以答”。


Jacques Lucien Monod(1910–1976)

丹麦生物化学家Pierre-AlainMonnard 认为,“人们依然可以质疑,要产生一个RNA世界,RNA本身是否足够?……我们所知的生命提示,从很早开始就有了独立的代谢结构,这对创造基于RNA的前细胞是必须的,仅仅由于两者的同时出现和相互反馈调节才使得它们存活了下来……可能曾经存在一种基于自我装配网络的系统,具有相互联系的催化作用,而没有RNA或其替代物介入,它可能起始了一系列的进化步骤,带来生命的产生。尽管如此,这个代谢世界的进化最终一定会产生一个遗传信息或催化-多聚物系统”(Monnard 2011)。这是一种代谢在先的思想,但是,如果没有领悟生命演化之合理目的性,Monnard也不可能迈入正确之道。


Pierre-Alain Monnard

结语

现代生命中的DNA—RNA—蛋白质已经形成了一个相互依存、无法撕裂的圆圈,使人们难以甄别谁才是演化的起点。一些人认为RNA才是生命的开端,也即这个圆圈的起点。但是,笔者对RNA世界假说提出如下质疑:

第一,谁会相信在地球生命演化的一开始,就会出现如图4那样复杂而神奇的RNA分子呢?除非那就是哈荣•雅荷雅所说的神造的分子了!

第二,RNA世界假说依然无法说明细胞是如何产生的,而只有细胞(或前细胞)才是真真意义上的生命!

第三,为何同时具备信息与催化功能才可作为生命的开端,其依据何在呢?

   第四,生物个体是达尔文选择的基本单位,那对大分子来说,什么才是选择的方向性呢?

第五,虽然生命的起源充满随机性,但不能没有方向性,必须受到目的性或动因的牵引。那什么才是生命起源最原始的动因呢?

主要参考:《生命的起源进化理论之扬弃与革新》谢平著,科学出版社,2014年)

(英文:Xie P. 2014. The Aufhebung and Breakthrough of the Theories on the Origin and Evolution of Life. Beijing: Science Press)


对该博文内容引述时,请引用此专著。



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