RNA 世界假說有什麼很好的依據嗎?

核酸酶的存在可以作為一個佐證,而且現在已知的存在於自然界的都為RNA核酶,DNA本質的核酶則尚未發現,是否能說明RNA先於DNA出現?DNA是生物體基於RNA進一步進化的產物?(DNA更加穩定、適合攜帶遺傳信息)

若是,那麼是否有其他的更有說服力的依據?


1核糖體肽鍵形成反應的催化中心在rRNA里,也就是說蛋白質由RNA催化合成

2 RNase P是一種保守的,在真細菌、古菌以及真核生物中都普遍存在的核酶。

3 體外實驗發現RNA能夠催化RNA的複製 (RNA依賴的RNA合成核酶)。注意這裡用的是複製而不是合成,也就是反應是以原有的RNA序列為模板介導的。例如這個研究:http://www.nature.com/nchem/journal/v5/n12/full/nchem.1781.html

4 現代生物合成RNA的材料ATP、GTP、UTP和CTP均參與各種重要的能量代謝通路。另外,輔酶A,以及還原型煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)、還原型煙醯胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)、黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)等遞電子體或遞氫體含有腺嘌呤核糖核苷酸殘基。可見,RNA代謝與能量代謝緊密相關

5 RNA的起源:體外實驗發現了不需要酶催化的模板介導的RNA合成反應。Joyce, G. F. et al. Chiral selection in poly(C)-directed synthesis of oligo(G). Nature 310, 602–604 (1984)

6 RNA的構成組分核糖核苷酸已經發現了可能的前生物合成途徑。例如:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19444213

7 控制RNA剪切的剪切複合物本質上也是一個核酶。

更多請見《RNA worlds》 單獨的章節(作為已發表的article)可以到冷泉港的RNA雜誌網頁免費獲取。章節目錄如下:
RNA Worlds: From Lifes Origins to Diversity in Gene Regulation

————————————————這是對題目描述糾錯的分割線—————————————
實際上DNA本質的催化劑(應該叫脫氧核酶 deoxyribozyme)也是被發現了不少的,但是目前沒有在體內發現有什麼生物學功能。


補充一個今年的文獻,關於RNA世界假說的質疑和蛋白質起源假說的支撐。

RNA世界假說回答的是生命起源中一個先有雞還是先有蛋的問題。稍有常識的人都知道生命中有核酸和蛋白質兩大類分子,核酸保真性高儲存遺傳序列,蛋白質結構多樣執行各種生化功能,那麼問題來了,這個序列(核酸)——結構(蛋白質)——功能(蛋白質)的鏈條不可能是憑空冒出來的,生命的第一個大分子是什麼呢?

RNA世界假說是對該問題的一種解釋,在1980s發現了RNA能夠花樣摺疊來具備一定的結構多樣性,行使酶的功能(核酶應該屬於高中知識吧)。如此看來RNA能夠滿足上面加粗的兩大需求,也具備自複製和自組裝的可能性,因此RNA世界假說應運而生,認為生命起源的第一個分子是RNA。支撐RNA世界的一系列例子之前那個回答也提到了,在此不做贅述。這裡也有一個最新的論據。

然而,正如每段科普文章中都有一句然而一樣,RNA世界假說離完美還差的很遠,它的一個主要缺陷是RNA結構驚人的複雜和敏感,它也不見得是生命的天選之「分子」,否則現在的生命就可能完全由RNA組成了。當然這樣的討論也意義不大,因為DNA,RNA,蛋白質都有各種各樣的缺陷,所以只有精誠合作才能幹大事啊(霧)。

但是科學家並不滿足於此,好問題是:為什麼不能是蛋白質呢?誠然,我們知道蛋白質「不大可能」自複製,這是它看上去不像是最早的生命分子的致命弱點。但是我們也可以換個角度來研究這個問題。如果學過一定的生化知識你會知道,蛋白質要行使功能必須要有長鏈摺疊成特定的結構,RNA也是如此,但是生命起源早期很難有長鏈啊(如果學過熱力學你會知道從一鍋氨基酸湯里自己冒出來一個長鏈多肽,就和「龍捲風摧毀停車場然後又把廢鐵組裝成汽車」一樣,是絕對的小概率事件)。那麼假如有這樣一種機制,使得相對較短的蛋白質鏈能夠有規律地自組裝成長鏈,那麼複雜的蛋白質也可能源源不斷地從氨基酸湯里冒出來,生命就此湧現出來。

那麼這一過程到底是怎樣實現的呢?這時候就需要生物物理學家(其實大多本科是學計算,數學和物理的)出場了,石溪分校(理論物理牛校)和勞倫斯國家實驗室(將來一定去朝聖的地方)的三位巨佬通過一種新的計算模型對這一過程進行了模擬。他們把氨基酸簡化為疏水氨基酸和親水氨基酸兩種,然後隨機生成一些短多肽鏈,在溶液中它會摺疊成特定結構。這種結構和新生成的短鏈具有熱力學上的傾向,可能會特異性的結合(注意,這個過程依然是小概率事件,但是概率比憑空生成一段新鏈要大很多了)。這個過程重複的話,長鏈蛋白質就可能生成,而這個特定結構就具備了一定的催化性質(也就是酶)。

蛋白質自組裝過程的簡單說明

原文中描述這一過程的Figure

這個想法當然是比較自然和容易想到的,關鍵是如何證明它的可能性。最後根據這個模型的計算,12.7%的多肽鏈具備局部特異性摺疊的品質,0.3%具備全段特異性摺疊的品質,而這些品質使得多肽鏈能夠自組裝延伸,最後有2.3%的多肽鏈自組裝到了25個氨基酸的長度。雖然這個模型可能因為較為簡單而使得結論過於樂觀,但是2.3%的概率真的是很高了(因為生命起源的時間可是很長的)。由於涉及到很多計算生物學的知識,加上本人才疏學淺,就不再贅述了。感興趣的可以看下發在PNAS上的原文。

多肽鏈越長,自組裝的貢獻越大

最後說兩點:

1.儘管這篇文章觀點新穎,完成的也很漂亮,但是它也只是一種基於新計算模型下的假說而已,大可不必對它太樂觀或者如同打開了新世界的大門。這種計算模型可能有待商榷,其結果也可能被argue(請讀了原文再來討論,我前面的描述是非常粗糙也可能不準確的)。

2.這一工作沒有解決的是另外一個問題是蛋白質和核酸是如何統一到一個系統里的,畢竟RNA世界也好蛋白質世界也罷都只是早♂期作品。不過別急,作者說了,自己下一步工作就是模型解釋這個過程。


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