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《自然》:新研究支持RNA-蛋白质是生命起源的关键

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热度65票 浏览25次 时间:2022年5月17日 14:37
《自然》:新研究支持RNA-蛋白质是生命起源的关键

《自然》:新研究支持RNA-蛋白质是生命起源的关键

(化石网报道)据中国科学报(辛雨):5月11日,《自然》发表的最新研究称,化学家们已经解决了生命起源理论中的一个关键问题,他们证明了RNA分子可以将短链氨基酸连接在一起。德国杜塞尔多夫大学研究分子进化的Bill Martin表示,这一发现为探索早期化学进化开辟了广阔而根本的新途径。

该研究支持在“RNA世界”假说基础上的另一种说法,“RNA世界”假说认为,在DNA及其编码的蛋白质进化之前,第一个生物体是基于RNA链的。标准理论认为,在“RNA世界”里,生命可能以复杂的原始RNA链形式存在,它们既能复制自己,又能与其他链竞争。后来,这些“RNA酶”可能进化出了制造蛋白质的能力,并最终将它们的遗传信息转化为更稳定的DNA。

但该过程是如何发生的仍旧是个问题,部分原因是单由RNA组成的催化剂的效率远远低于今天在所有活细胞中发现的蛋白质酶的效率。该研究通讯作者、德国慕尼黑大学有机化学家Thomas Carell认为,尽管发现了RNA催化剂,但它们的催化能力很差。

在研究这个难题时,研究人员受到RNA在所有现代生物体制造蛋白质过程中所起作用的启发:编码基因的RNA链(通常是由DNA碱基序列复制而来)通过核糖体,核糖体一次生成一个氨基酸,形成相应的蛋白质。

与大多数酶不同,核糖体本身不仅由蛋白质组成,还由RNA片段组成,这些片段在合成蛋白质中起重要作用。此外,核糖体包含标准RNA核苷A、C、G、U的修饰版本。

研究人员通过连接活细胞中常见的两段RNA,构建了一种合成RNA分子,其中包括两种经过修饰的核苷。在第一个特异核苷位点,合成分子可以与一个氨基酸结合,然后氨基酸侧移与邻近的第二个特异核苷结合。随后,研究人员分离了原来的RNA链,并引入了一个新的RNA链,该RNA链携带自己的氨基酸,并与之前附着在第二链上的氨基酸形成强共价键。

这个过程一步步地进行,生成了一条短的氨基酸链,即迷你蛋白质——肽,并附着在RNA上。氨基酸间化学键的形成需要能量,研究人员通过在溶液中用各种反应物激发氨基酸来提供能量。

Martin表示,这是一个非常令人兴奋的发现。“不仅因为它为基于RNA的肽的形成指明了一条新路径,该发现还揭示了自然发生的RNA修饰碱基的新的进化意义。”Martin补充说,该结果表明RNA在生命起源中发挥了重要作用。

美国佐治亚理工学院生物物理化学家Loren Williams对此表示赞同,他认为,如果RNA的起源和蛋白质的起源是联系在一起的,而且它们的出现不是独立的,那么这就会从根本上转向支持“RNA -蛋白质世界”,而远离“RNA世界”。

为了证明这是一种合理的生命起源,科学家们必须进一步完成几个步骤。该团队RNA上形成的肽是由氨基酸的随机序列组成的,而不是由存储在RNA中的信息决定的。Carell说,更大的RNA结构可以折叠成在特定位置“识别”特定氨基酸的形状,产生确定的结构。这些复杂的RNA-肽混合物可能具有催化性能,并受进化压力的影响,变得更有效率。Carell认为,如果分子可以复制,便会有类似微型有机体产生。

相关报道:“范式转换”:科学家提出有关地球生命起源的新理论

(化石网报道)据cnBeta:根据Thomas Carell领导的慕尼黑大学(LMU)化学家们的一个新理论,是一种由RNA和肽组成的新型分子物种启动了生命向更复杂形式的进化。

调查生命是如何在如此久远的早期地球上出现的,是科学最迷人的挑战之一。更复杂的生命的基本构件必须在哪些条件下才能形成?其中一个主要的答案是基于所谓的RNA世界概念,它是由分子生物学先驱沃尔特-吉尔伯特在1986年提出的。根据这一假说,核苷酸从“原始汤”中产生,短RNA分子由核苷酸产生。这些所谓的寡核苷酸已经能够编码少量的遗传信息。

由于这样的单链RNA分子也可以结合成双链,然而,这就产生了理论上的前景,即这些分子可以自我复制。在每种情况下只有两个核苷酸结合在一起,这意味着一条链是另一条链的完全对应物,从而形成另一条链的模板。

在进化的过程中,这种复制可能会得到改善,并在某个时候产生更复杂的生命。慕尼黑大学化学家Thomas Carell说:“RNA世界的想法有一个很大的优势,它勾勒出了一条路径,复杂的生物大分子,如具有优化催化和同时具有信息编码特性的核酸,可以出现。按照我们今天的理解,遗传物质是由双股DNA组成的,这是一种由核苷酸组成的略经修改的、耐用的大分子形式。”

然而,这一假说并非没有问题。例如,RNS是一个非常脆弱的分子,特别是当它变长时。此外,目前还不清楚RNA分子与蛋白质世界的联系是如何产生的,正如我们所知,遗传物质为其提供了蓝图。正如发表在《自然》杂志上的一篇新论文所述,Carell的工作小组已经发现了一种可能发生这种联系的方式。

RNA本身是一个复杂的大分子。除了编码遗传信息的四个经典碱基A、C、G和U之外,它还包含非经典碱基,其中一些具有非常不同的结构。这些非信息编码的核苷酸对RNA分子的运作非常重要。研究人员目前掌握了120多种这样的修饰过的RNA核苷,大自然将它们纳入了RNA分子。它们极有可能是以前RNA世界的遗留物。

Carell小组现在发现,这些非经典的核苷是关键成分,就像它一样,使RNA世界与蛋白质世界联系起来。据Carell说,这些分子化石中的一些当位于RNA中时,可以用单个氨基酸或甚至小的氨基酸链(肽)来"装饰"自己。当氨基酸或肽碰巧与RNA同时存在于一个溶液中时,这导致了小型嵌合RNA-肽结构。在这样的结构中,与RNA相连的氨基酸和肽随后甚至相互反应,形成越来越大、越来越复杂的肽。“通过这种方式,我们在实验室里创造了可以编码遗传信息的RNA-肽颗粒,甚至形成了加长的肽,”Carell说。

因此,古老的化石核苷有点类似于RNA中的核,形成一个核心,长肽链可以在此基础上生长。在RNA的一些链上,肽甚至在几个点上生长。“那是一个非常令人惊讶的发现,”Carell说。“有可能从来没有一个纯粹的RNA世界,但RNA和肽从一开始就在一个共同的分子中共存。 因此,我们应该把RNA世界的概念扩大到RNA-肽世界的概念。肽和RNA在其进化过程中相互支持,新的想法提出。”

根据新的理论,一开始的一个决定性因素是RNA分子的存在,它可以用氨基酸和肽“装饰”自己,从而将它们连接成更大的肽结构。“RNA慢慢发展成一个不断改进的氨基酸连接催化剂,”Carell说。RNA和肽或蛋白质之间的这种关系一直保持到今天。最重要的RNA催化剂是核糖体,它今天仍然将氨基酸连接成长肽链。作为最复杂的RNA机器之一,它在每个细胞中负责将遗传信息翻译成功能性蛋白质。“因此,RNA-肽世界解决了先有鸡还是先有蛋的问题,"Carell说。“这个新想法创造了一个基础,在这个基础上,生命的起源逐渐变得可以解释。”
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