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《自然》:新研究支持RNA-蛋白質是生命起源的關鍵
2022-05-17 14:39:12   來源:化石網   評論:0 點擊:

《自然》:新研究支持RNA-蛋白質是生命起源的關鍵(化石網整理)據中國科學報(辛雨):5月11日,《自然》發表的最新研究稱,化學家們已經解決了生命起源理論中的一個關鍵問題,他們證明了RNA分子可以將短鏈氨基


《自然》:新研究支持RNA-蛋白質是生命起源的關鍵

(化石網整理)據中國科學報(辛雨):5月11日,《自然》發表的最新研究稱,化學家們已經解決了生命起源理論中的一個關鍵問題,他們證明了RNA分子可以將短鏈氨基酸連接在一起。德國杜塞爾多夫大學研究分子進化的Bill Martin表示,這一發現為探索早期化學進化開辟了廣闊而根本的新途徑。
 
該研究支持在“RNA世界”假說基礎上的另一種說法,“RNA世界”假說認為,在DNA及其編碼的蛋白質進化之前,第一個生物體是基于RNA鏈的。標準理論認為,在“RNA世界”里,生命可能以復雜的原始RNA鏈形式存在,它們既能復制自己,又能與其他鏈競爭。后來,這些“RNA酶”可能進化出了制造蛋白質的能力,并最終將它們的遺傳信息轉化為更穩定的DNA。
 
但該過程是如何發生的仍舊是個問題,部分原因是單由RNA組成的催化劑的效率遠遠低于今天在所有活細胞中發現的蛋白質酶的效率。該研究通訊作者、德國慕尼黑大學有機化學家Thomas Carell認為,盡管發現了RNA催化劑,但它們的催化能力很差。
 
在研究這個難題時,研究人員受到RNA在所有現代生物體制造蛋白質過程中所起作用的啟發:編碼基因的RNA鏈(通常是由DNA堿基序列復制而來)通過核糖體,核糖體一次生成一個氨基酸,形成相應的蛋白質。
 
與大多數酶不同,核糖體本身不僅由蛋白質組成,還由RNA片段組成,這些片段在合成蛋白質中起重要作用。此外,核糖體包含標準RNA核苷A、C、G、U的修飾版本。
 
研究人員通過連接活細胞中常見的兩段RNA,構建了一種合成RNA分子,其中包括兩種經過修飾的核苷。在第一個特異核苷位點,合成分子可以與一個氨基酸結合,然后氨基酸側移與鄰近的第二個特異核苷結合。隨后,研究人員分離了原來的RNA鏈,并引入了一個新的RNA鏈,該RNA鏈攜帶自己的氨基酸,并與之前附著在第二鏈上的氨基酸形成強共價鍵。
 
這個過程一步步地進行,生成了一條短的氨基酸鏈,即迷你蛋白質——肽,并附著在RNA上。氨基酸間化學鍵的形成需要能量,研究人員通過在溶液中用各種反應物激發氨基酸來提供能量。
 
Martin表示,這是一個非常令人興奮的發現。“不僅因為它為基于RNA的肽的形成指明了一條新路徑,該發現還揭示了自然發生的RNA修飾堿基的新的進化意義。”Martin補充說,該結果表明RNA在生命起源中發揮了重要作用。
 
美國佐治亞理工學院生物物理化學家Loren Williams對此表示贊同,他認為,如果RNA的起源和蛋白質的起源是聯系在一起的,而且它們的出現不是獨立的,那么這就會從根本上轉向支持“RNA -蛋白質世界”,而遠離“RNA世界”。
 
為了證明這是一種合理的生命起源,科學家們必須進一步完成幾個步驟。該團隊RNA上形成的肽是由氨基酸的隨機序列組成的,而不是由存儲在RNA中的信息決定的。Carell說,更大的RNA結構可以折疊成在特定位置“識別”特定氨基酸的形狀,產生確定的結構。這些復雜的RNA-肽混合物可能具有催化性能,并受進化壓力的影響,變得更有效率。Carell認為,如果分子可以復制,便會有類似微型有機體產生。
 
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(化石網整理)據cnBeta:根據Thomas Carell領導的慕尼黑大學(LMU)化學家們的一個新理論,是一種由RNA和肽組成的新型分子物種啟動了生命向更復雜形式的進化。
 
調查生命是如何在如此久遠的早期地球上出現的,是科學最迷人的挑戰之一。更復雜的生命的基本構件必須在哪些條件下才能形成?其中一個主要的答案是基于所謂的RNA世界概念,它是由分子生物學先驅沃爾特-吉爾伯特在1986年提出的。根據這一假說,核苷酸從“原始湯”中產生,短RNA分子由核苷酸產生。這些所謂的寡核苷酸已經能夠編碼少量的遺傳信息。
 
由于這樣的單鏈RNA分子也可以結合成雙鏈,然而,這就產生了理論上的前景,即這些分子可以自我復制。在每種情況下只有兩個核苷酸結合在一起,這意味著一條鏈是另一條鏈的完全對應物,從而形成另一條鏈的模板。
 
在進化的過程中,這種復制可能會得到改善,并在某個時候產生更復雜的生命。慕尼黑大學化學家Thomas Carell說:“RNA世界的想法有一個很大的優勢,它勾勒出了一條路徑,復雜的生物大分子,如具有優化催化和同時具有信息編碼特性的核酸,可以出現。按照我們今天的理解,遺傳物質是由雙股DNA組成的,這是一種由核苷酸組成的略經修改的、耐用的大分子形式。”
 
然而,這一假說并非沒有問題。例如,RNS是一個非常脆弱的分子,特別是當它變長時。此外,目前還不清楚RNA分子與蛋白質世界的聯系是如何產生的,正如我們所知,遺傳物質為其提供了藍圖。正如發表在《自然》雜志上的一篇新論文所述,Carell的工作小組已經發現了一種可能發生這種聯系的方式。
 
RNA本身是一個復雜的大分子。除了編碼遺傳信息的四個經典堿基A、C、G和U之外,它還包含非經典堿基,其中一些具有非常不同的結構。這些非信息編碼的核苷酸對RNA分子的運作非常重要。研究人員目前掌握了120多種這樣的修飾過的RNA核苷,大自然將它們納入了RNA分子。它們極有可能是以前RNA世界的遺留物。
 
Carell小組現在發現,這些非經典的核苷是關鍵成分,就像它一樣,使RNA世界與蛋白質世界聯系起來。據Carell說,這些分子化石中的一些當位于RNA中時,可以用單個氨基酸或甚至小的氨基酸鏈(肽)來"裝飾"自己。當氨基酸或肽碰巧與RNA同時存在于一個溶液中時,這導致了小型嵌合RNA-肽結構。在這樣的結構中,與RNA相連的氨基酸和肽隨后甚至相互反應,形成越來越大、越來越復雜的肽。“通過這種方式,我們在實驗室里創造了可以編碼遺傳信息的RNA-肽顆粒,甚至形成了加長的肽,”Carell說。
 
因此,古老的化石核苷有點類似于RNA中的核,形成一個核心,長肽鏈可以在此基礎上生長。在RNA的一些鏈上,肽甚至在幾個點上生長。“那是一個非常令人驚訝的發現,”Carell說。“有可能從來沒有一個純粹的RNA世界,但RNA和肽從一開始就在一個共同的分子中共存。 因此,我們應該把RNA世界的概念擴大到RNA-肽世界的概念。肽和RNA在其進化過程中相互支持,新的想法提出。”
 
根據新的理論,一開始的一個決定性因素是RNA分子的存在,它可以用氨基酸和肽“裝飾”自己,從而將它們連接成更大的肽結構。“RNA慢慢發展成一個不斷改進的氨基酸連接催化劑,”Carell說。RNA和肽或蛋白質之間的這種關系一直保持到今天。最重要的RNA催化劑是核糖體,它今天仍然將氨基酸連接成長肽鏈。作為最復雜的RNA機器之一,它在每個細胞中負責將遺傳信息翻譯成功能性蛋白質。“因此,RNA-肽世界解決了先有雞還是先有蛋的問題,"Carell說。“這個新想法創造了一個基礎,在這個基礎上,生命的起源逐漸變得可以解釋。”

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