最初的生命並非 RNA？
也許我們要迎來RNA時代的終結
在過去的幾十年中，生命起源理論幾乎都圍繞RNA而展開；如今，新的研究正試圖摒棄RNA世界假說的陳念，設想著生命的其他起源帶方式。
流行的理論認為，生命起源於物質豐富的化學湯，而 RNA 是化學湯中最初的自我複製單元。但是，多肽和RNA混合起來或許會更高效。
撰文 Jordana Cepelewicz
翻譯 卓思琪
審校 韓宇 譚坤
四十億年前，地球的原始化學湯中開始出現後來發展處生命的大分子。儘管目前科學家對於這些生命分子的具體成分還在進行著激烈的爭論，但他們一致認為這些分子應該承擔兩項重要功能：儲存信息和催化反應。在現代生物細胞中，這兩項任分派給了 DNA 和蛋白質。當下，生命起源研究和生物課本的主流觀點認為，這兩項任務最初都由 RNA 完成，它為隨後 DNA 和蛋白質的接管鋪平了道路。
這項假說在19世紀60年代提出，又在此二十年後被稱為「RNA 世界」，——吉爾伯特（W. Gilbert）因此獲得了1981年度諾貝爾化學獎。此後，該理論成為了解釋生命起源的最可能假說。關於生命起源的假說「世界」有很多，但比起 RNA 世界，它們往往被認為是天馬行空的想像或異想天開的思想實驗，只能作為後備理論。
究其原因，除理論外，RNA 世界的鞏固得益於它比其他理論更多的實驗證據。2017年11月，Quanta Magazine報道了另一生命起源的可能模型：類蛋白，而非 DNA 是最先出現的自我複製單位。但是，這一發現僅停留在了計算層面，研究者才剛剛著手實驗去尋找支撐理論的證據。
如今，兩位研究者又提出了另一種理論，其中涉及了RNA和多肽的共同演化。研究者希望該理論能夠撼動 RNA 世界的至高地位。
RNA 世界的缺陷
最近，分別發表在Biosystems與Molecular Biology and Evolution上的兩篇文章提出，RNA 世界假說不足以為後續的演化事件提供充足的基礎。兩篇文章的共同作者，北卡羅來納大學的結構生物學家 Charles Carter 表示，RNA 世界學說只是「權宜之計」：「如果按照我們現在對生命的特徵的認識而言，單一的聚合物不可能執行所有生命必需過程。」
而且，就算存在符合條件的單一聚合物，Carter 及他的團隊也不認為會是 RNA。他們主要考慮的是反應催化作用：一些研究表明，為了維持生命，這種神秘的聚合物將必須具有調控化學反應速率的作用，並且可控範圍可能需高達20個數量級。就算 RNA 在生命誕生前的世界裡具有如此強的調控能力，它可能也早已適應當時全球100℃的高溫。Carter 表示，一旦地球溫度開始下降，RNA就不可能繼續演化和保證各項生命過程的同步進行；不久之後，之前有序進行的各項化學反應又將陷入混亂。
其中可能最關鍵的是，單一 RNA 世界不能解釋遺傳密碼的出現。當下，幾乎所有生物體都利用遺傳密碼將遺傳信息翻譯成蛋白質。密碼指揮64種可能的三聯核苷酸 RNA 序列與20種氨基酸匹配，以此來編碼蛋白質。該項研究的合作者、紐西蘭奧克蘭大學的 Peter Wills 認為，僅靠 RNA 難以構建如此嚴密的編碼系統。在 Wills 看來，RNA 具有「化學反射性」（chemically reflexive），或許可以催化自身的形成，但缺乏「計算反射性」（computational reflexivity）。
「在像有機體使用遺傳信息那樣的系統中，利用信息合成自身的組件，就一定包含反射信息 (reflextive information)。」Wills 說道。他將信息反射性定義為「一種當系統解碼時，保證組件完全執行特定解碼的信息」。RNA 世界假說中的RNA僅僅是化學性的，全然不能控制自身的化學過程。「RNA 世界假設無法解釋任何關於遺傳上的問題。」
在自然界中，一定存在著一條連接「原始化學湯」與「遺傳密碼」的更好的捷徑。Carter 和 Wills 認為他們已找到這條捷徑：一條從肽-RNA 複合物發展而來的緊湊反饋迴路。
引入肽類
19世紀70年代，當 Carter 還在本科學習的時候，他便注意到大多數蛋白中的某些特定結構都是右手螺旋的。也就是說，結構中原子的兩種鏡像排列方式比例應該相同，但自然結構偏偏只選擇其中一種。另外，組成 DNA 和 RNA 的許多核苷酸和糖類也是右手螺旋。Carter 開始思考，RNA 和多肽應該是互補結構，於是他著手建模，發現「它們彼此完美地嵌合，就像手和手套一樣的關係」。
該想法可看做一種編碼的基本模型，也作為 RNA 和多肽間信息交流的基礎。從更為複雜的現代遺傳密碼入手，Carter 正一步步繪製他心目中的草圖。而1986年，RNA 世界理論脫穎而出，Carter 這下氣炸了！他十年前就已經提出了肽-RNA 世界，但卻完全被眾人忽略。
自那之後，Carter 與 Wills 以及其他人進行了合作，基於先前的研究又開始了複雜的新研究。他們的主要目標是弄清複雜的、高度特化的現代遺傳密碼的前身是什麼——那大概是個極簡的遺傳密碼。因此，他們將研究點同時放在了計算和遺傳學研究上。
他們的理論焦點是那被稱為氨醯基-tRNA 合成酶的20個氨基酸「裝載」分子。該催化酶使 RNA 按照遺傳密碼的規則和特定的氨基酸結合。未參與該研究的生化學家 Jannie Hofmeyr 解釋道：「在某種意義上，遺傳密碼是『寫在了』這些酶的特定活性位點上。」
LucyReading-Ikkanda/Quanta Magazine
先前研究將這20種酶按照結構和序列分為了兩組，正好10個一組。兩組酶含有編碼互斥氨基酸的特定序列，這表明它們必然來自同一古基因中的互補鏈。在這種情況下，研究團隊發現，RNA 在指導翻譯多肽時僅僅利了是兩套規則（或者說只應用了兩類氨基酸）。編碼得到的多肽產物反過來加強了RNA指導的翻譯過程，因而形成了理論的關鍵——緊湊的反饋迴路。
G?del 定理與生命化學
哲學家、數學家 Kurt G?del 曾提出了不完備定理：任何一個可指代自身的邏輯體系中，必存在一個命題，它既不能被證明為真，也不能被證明為假。而 Carter 發現的這種緊湊的反饋迴路與 G?del 定理存在相似之處。他說：「我相信該發現與 G?del 定理的類比為其存在的必然性提供了強有力的論據。」
在最近的文章中，Carter 和 Wills 的肽-RNA世界回答了 RNA 世界不能解釋的生命起源史問題。Hofmeyr 說：「他們提供了堅實的理論和實驗證據，說明了肽類和 RNA 從一開始就聯合參與了遺傳密碼的起源。而新陳代謝、轉錄和翻譯的構建、基因複製必定是同時發展而成的。」
當然，Carter-Wills 模型的起點是遺傳密碼，它以轉運 RNA 和裝載酶存在下的複雜化學反應為基礎。研究者宣稱，一些關於多肽和 RNA 相互作用的案例激發了他們對該模型的設想（如20世紀70年代 Carter 描述的複雜情況）。但是，這也為我們留下了許多開放性的問題，如化學世界是如何開始的，最初它是什麼樣子？
為了解答這些問題，所需要的理論就不可局限於 RNA 世界了。實際上，一些科學家針對 Carter 和 Wills 的理論提出了精準的反駁：他們認為，生命的最初階段不需要從類似現在的化學過程開始。魏茨曼科學研究院（Weizmann Institute of Science）的基因組學家 Doron Lancet 提出了一種替代理論，該理論與催化各類分子進出的脂質裝配有關。他認為，攜帶信息的不是基因序列，而是這種脂質組件。
如同 Carter 和 Wills 提出的模型一樣，Lancet 的想法也包含多種分子。「證據不斷地積累，或許可證明這一假設的正確。」Lancet 說道。目前，生命起源的時候發生了什麼依然是個謎，但是從大潮流看來，單一的 RNA 世界似乎正在從這一故事中退卻出來。
「我們應該把大部分研究焦點從RNA世界中轉移出來了。」Hofmeyr 說道。
https://www.quantamagazine.org/the-end-of-the-rna-world-is-near-biochemists-argue-20171219/
相關論文信息
【論文題目】Insuperable problems of the genetic code initially emergingin an RNA world
【論文鏈接】http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0303264717302332?via=ihub
【論文題目】Interdependence, Reflexivity, Fidelity, Impedance Matching,and the Evolution of Genetic Coding
【論文鏈接】https://academic.oup.com/mbe/advance-article/doi/10.1093/molbev/msx265/4430325
【摘要】Genetic coding is generally thought to have requiredribozymes whose functions were taken over by polypeptide aminoacyl-tRNAsynthetases (aaRS). Two discoveries about aaRS and their interactions with tRNAsubstrates now furnish a unifying rationale for the opposite conclusion: thatthe key processes of the Central Dogma of molecular biology emergedsimultaneously and naturally from simple origins in a peptide?RNA partnership,eliminating the epistemological utility of a prior RNA world. First, the twoaaRS classes likely arose from opposite strands of the same ancestral gene,implying a simple genetic alphabet. The resulting inversion symmetries in aaRSstructural biology would have stabilized the initial and subsequentdifferentiation of coding specificities, rapidly promoting diversity in theproteome. Second, amino acid physical chemistry maps onto tRNA identityelements, establishing reflexive, nanoenvironmental sensing in protein aaRS.Bootstrapping of increasingly detailed coding is thus intrinsic to polypeptideaaRS, but impossible in an RNA world. These notions underline the followingconcepts that contradict gradual replacement of ribozymal aaRS by polypeptideaaRS: 1) aaRS enzymes must be interdependent; 2) reflexivity intrinsic topolypeptide aaRS production dynamics promotes bootstrapping; 3) takeover ofRNA-catalyzed aminoacylation by enzymes will necessarily degrade specificity; and4) the Central Dogma』s emergence is most probable when replication andtranslation error rates remain comparable. These characteristics are necessaryand sufficient for the essentially de novo emergence of a coupledgene–replicase–translatase system of genetic coding that would havecontinuously preserved the functional meaning of genetically encoded proteingenes whose phylogenetic relationships match those observed today.
TAG:科研圈 |