生物化学家争论RNA时代的终结是否即将到来

几十年来,以RNA为主角的生命起源理论一直处于领先地位。 根据这一理论,新的研究可能会动摇人们对生命起源的信心。



一种流行的理论认为,生命来自富含化学物质的汤,RNA首先开始自我复制。 但是肽和RNA的结合可能更有效

40亿年前,在地球的史前化学汤中盘旋,生命的第一个分子前体出现了。 尽管这些分子的确切定义仍然是引起争议的话题,但科学家们一致认为,这些分子需要执行两个主要动作:保存信息并催化化学反应。 现代细胞将这些力量分别转移给DNA及其蛋白质-但是根据现代关于生命起源和生物学教科书的流行解释, RNA是第一个发挥这种作用的分子,为后来承担这些职责的DNA和蛋白质铺平了道路。

这个假设提出于1960年代,二十年后被昵称为“ RNA世界 ”,现在被认为是生命开始的最可能解释。 也有足够多的替代“世界”,但它们通常被认为是预备理论,虚幻的想象力和奇特的思想实验。

主要是因为RNA世界假说得到了大量实验证据的支持,而其竞争者所获得的证据却不多。 上个月, 我们报道了另一种理论 ,即蛋白质样分子可能是第一个自我复制的分子,而不是RNA。 但是这些发现纯粹是计算性的-研究人员才刚刚开始实验以寻找支持他们陈述的证据。

现在,一些研究人员提出了另一种理论-这次涉及RNA和多肽的联合进化-他们希望这可以动摇RNA世界的基础。

为什么缺少RNA


最近发表在《 生物系统分子生物学与进化 》杂志上的论文示意性地描述了RNA世界假说不能为随后的进化事件提供足够证据的证据。 相反,北卡罗来纳大学的结构生物学家查尔斯·卡特Charles Carter)说,他们的模型提出了一个合适的建议。 他补充说:“任何一种聚合物都无法执行我们现在已经将其作为生活一部分的所有必要过程。”


北卡罗来纳大学结构生物学家Charles Carter

根据他的团队进行的研究,这种单一聚合物不可能是RNA。 对该分子的主要反对意见是催化作用 :一些研究表明,为了使生命开始发挥作用,这种神秘的聚合物需要能够协调化学反应的速率,化学反应的速率可以随幅度变化20个数量级而变化。 即使RNA在前生物学世界中以某种方式成功做到了这一点,其在催化剂作用中的功能也应适应了早期地球上普遍存在的燃烧温度-大约100°C。 根据卡特的说法,当行星开始变冷时,RNA无法进化并无法进一步保持同步。 一连串的化学反应很快就会瓦解。

最可能,最重要的是,仅具有RNA的世界并不能解释遗传密码的出现,而当今绝大多数活生物体都使用该遗传密码将遗传信息转移到蛋白质上。 该代码采用了64种可能的三核苷酸RNA序列中的每一种,并将它们与用于创建蛋白质的20个氨基酸之一结合在一起。 新西兰奥克兰大学卡特的合著者彼得·威尔斯说,如果选择一套可靠的规则来完成这样的任务,那么单单使用RNA就会花费太多的时间-如果RNA世界能够达到这样的状态,他似乎不太可能。 从威尔斯的角度来看,RNA可能成为其自身形成的催化剂,这使其具有“化学自反性”,但缺乏“计算​​自反性”。


新西兰奥克兰大学生物物理学家Peter Wills

威尔斯说:“一个像生物体利用遗传信息一样使用信息的系统,即合成其自身的组成部分,必须包含反射信息。” 根据其定义,反射信息就是这样的信息,即“被编码到系统中,它会创建执行此特定解码的组件”。 他补充说,来自RNA世界假说的RNA是一种简单的化学反应,因为它无法控制其化学反应。 他说:“ RNA世界对遗传学一无所知。”

大自然需要寻找另一种方法,这是创建遗传密码的最佳捷径。 卡特和威尔斯认为他们已经开启了捷径。 它取决于一个小的反馈回路,该回路不仅会从RNA中生长出来,而且可能会从肽和RNA的复合体中出现。

将肽带入商业


卡特(Carter)于1970年代中期在该机构得知大多数蛋白质中发现的某些结构都是“右撇子”时发现了这种复合物的暗示。 结构中的原子可以两种等效的方式组织,它们在镜面反射方面彼此不同,但是所有结构仅使用一种方法。 构成DNA和RNA的大多数核酸也是右撇子。 卡特开始将RNA和多肽视为互补结构,并建立了一个复杂的模型,其中“它们是彼此创造的,就像手和手套”。

这暗示了基本编码的可能性,这是RNA和多肽之间信息交换的基础。 他从现代的,复杂得多的遗传密码中推断出该过程的外观草图。 当这个假说在1986年被人们称为“ RNA世界”时,它的名声大噪。 在他看来,十年前提出的他的肽和RNA世界被完全忽略了。

从那时起,他,威尔斯和其他人就重新回到该研究的理论进行了合作。 他们的主要目标是推导现代,更具体和复杂的事物之前最简单的遗传密码。 因此,他们不仅转向计算,而且转向遗传学。

他们的理论基于20种“负载”分子,即氨酰tRNA合成酶 。 这些催化酶允许RNA根据遗传密码的规则与某些氨基酸结合。 南非斯泰伦博斯大学的生物化学家詹妮·霍夫梅尔(Jenny Hofmeir)说:“从某种意义上说,遗传密码写在这些酶的活性点的特征上。”

先前的研究表明,根据其结构和序列,可以将20种酶平均分为10个片段的两组。 这两类酶具有编码互斥氨基酸的某些序列-也就是说,这些酶应该从一个古老基因的互补链中出现。 Carter,Wills及其同事发现,在这种情况下,RNA使用一组仅两个规则(或换句话说,使用了两种氨基酸)来编码肽。 所得的肽保持控制传输过程的相同规则,这为该理论创建了关键的反馈环。


RNA肽世界

RNA和作为第一个遗传密码的肽的相互作用可能产生生命。 一个自我维持的反应环将通过仅从两种氨基酸中选择而不是在现代蛋白质中发现的20种氨基酸来产生酶。

1)“负载酶”与RNA中的碱基序列重合,并有助于从第一类(红色)和第二类(绿色)的结合氨基酸创建肽链
2)肽链折叠成功能形式
3)根据链的形状,选择第一或第二类氨基酸并成为活性负载酶。
4)酶与RNA相互作用并将氨基酸传递至形成链

哥德尔定理和生命化学


卡特发现这个循环与哲学家和数学家库尔特·哥德尔所描述的数学循环之间有很多相似之处,他的不完备性定理假设无法由系统本身证明或证明的陈述必定会出现在任何逻辑系统中。 卡特说:“我相信,与戈德尔定理的类比为必然性提供了强有力的论据。”

在最近的工作中,卡特和威尔斯证明,他们的RNA肽世界解决了生命起源史上存在的空白问题,而只有一个RNA无法解释这一问题。 霍夫米尔说:“它们提供了可靠的理论和实验证据,证明RNA和肽从一开始就参与了遗传密码的产生,而且新陈代谢,通过复制,传播和繁殖产生的代谢必须一起发展。”



当然,卡特-威尔斯模型以遗传密码开头,遗传密码的存在涉及复杂的化学反应,其中包括诸如转运RNA和负载酶之类的分子。 研究人员声称,在他们提出的方案之前的事件中,涉及RNA和肽的相互作用。 但是,这种假设对这种化学反应如何开始以及其外观留下了许多悬而未决的问题。

为了回答这些问题,有许多理论远远超出了RNA领域。 一些科学家甚至采取了与卡特和威尔斯相反的方法:他们认为生命发展的最早阶段不一定与当今存在的化学相似。 以色列威兹曼科学研究所的基因组研究员Doron Lancet提供了一种基于脂质组装的替代理论,该组装催化各种分子的进入和退出。 信息不是通过遗传序列传递,而是通过脂质成分传递。

像卡特-威尔斯模型一样,柳叶刀的想法不包括一种分子,而是包括大量的分子。 柳叶刀说:“正在收集越来越多的证据,能够证实这一替代假设。” 到目前为止,科学家还没有决定生命起源到底发生了什么,但是,显然,他们已经开始摆脱仅有一个RNA的历史。 Hofmeir说:“我们只需要在RNA篮子里放几个鸡蛋即可。”

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN410087/


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