轉(zhuǎn)運(yùn)RNA:生命起源中的一種復(fù)雜關(guān)聯(lián)

文章來(lái)源:原理
生命起源一直是現(xiàn)代科學(xué)中最受關(guān)注的大問(wèn)題之一,要解開(kāi)這個(gè)謎題,我們還需要找到太多問(wèn)題的答案。我們所知道的生命其實(shí)基于一個(gè)復(fù)雜的相互作用的網(wǎng)絡(luò),這些相互作用發(fā)生納米級(jí)在微觀尺度上,與數(shù)以千計(jì)的不同分子有關(guān)。在生物細(xì)胞中,有這樣一個(gè)基本過(guò)程每天都在無(wú)數(shù)次地重復(fù)發(fā)生——復(fù)制。
DNA中儲(chǔ)存著的遺傳信息包含了制造生物體發(fā)育、生長(zhǎng)和生存所必須的所有蛋白質(zhì)的指令,通過(guò)復(fù)制過(guò)程,蛋白質(zhì)能夠?qū)@些編碼在DNA分子中的遺傳信息進(jìn)行復(fù)制,然后在細(xì)胞分裂時(shí),將這些信息均勻地分配到兩個(gè)子細(xì)胞中。接著,這些信息會(huì)被有選擇地“轉(zhuǎn)錄”成信使RNA(mRNA)分子,信使RNA會(huì)被“翻譯”成最終能形成蛋白質(zhì)的氨基酸鏈。
在信使RNA被“翻譯”成蛋白質(zhì)的過(guò)程中,有一類(lèi)起著核心作用的RNA——轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(tRNA)。轉(zhuǎn)運(yùn)RNA在這個(gè)過(guò)程中負(fù)責(zé)將信使RNA翻譯成蛋白質(zhì),確保每種特定蛋白質(zhì)所包含的氨基酸鏈都是按照相應(yīng)順序排列的。
科學(xué)家想知道,在早期地球上,當(dāng)?shù)谝慌_(kāi)始進(jìn)化之時(shí),轉(zhuǎn)運(yùn)RNA所起的作用是如何產(chǎn)生的?
這個(gè)問(wèn)題其實(shí)涉及到生命早期進(jìn)化研究中的一個(gè)長(zhǎng)期存在的“先有雞還是先有蛋”的問(wèn)題:基因信息的轉(zhuǎn)錄需要蛋白質(zhì),但蛋白質(zhì)的合成依賴(lài)于基因信息的轉(zhuǎn)錄,那么究竟是先有制造蛋白質(zhì)所需的DNA序列,還是先有轉(zhuǎn)錄和翻譯DNA所需的蛋白質(zhì)?
現(xiàn)在,慕尼黑大學(xué)的一組研究人員發(fā)表了一項(xiàng)新的研究,為如何解決這個(gè)難題提供了新的見(jiàn)解。
作為生命進(jìn)化的早期過(guò)程,復(fù)制和翻譯與其他過(guò)程一樣,并不是一蹴而就的,它們是進(jìn)化過(guò)程積累的結(jié)果。在其發(fā)展過(guò)程中,一些基本現(xiàn)象,比如自復(fù)制、自催化、自組織和分室化等可能都發(fā)揮了重要作用。通常來(lái)說(shuō),這些物理和化學(xué)過(guò)程完全受環(huán)境中的非平衡條件所驅(qū)使,比如溫度變化等。
包含了遺傳信息的轉(zhuǎn)運(yùn)RNA是生物圈中最古老的分子之一。在新研究中,幾位生物物理學(xué)家對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)RNA的遺傳密碼進(jìn)行了微小改動(dòng),他們使用了一組以現(xiàn)代轉(zhuǎn)錄RNA的特征形式為模型的互補(bǔ)DNA鏈,每個(gè)都含有兩個(gè)“發(fā)夾”結(jié)構(gòu)。所謂發(fā)夾,是一種可部分自我互補(bǔ)配對(duì)形成的細(xì)長(zhǎng)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

在對(duì)它們的序列進(jìn)行測(cè)試后,研究人員發(fā)現(xiàn)在外部溫度條件發(fā)生了變化的情況下,這些有著微小突變的“早期”形式的轉(zhuǎn)運(yùn)RNA可以自主地發(fā)生相互作用,自我組裝成能夠復(fù)制存儲(chǔ)在其序列中的信息的復(fù)制因子。
溫度變化是通過(guò)四個(gè)過(guò)程驅(qū)使復(fù)制過(guò)程的:首先,通過(guò)快速冷卻,發(fā)夾會(huì)被激活形成閉合的構(gòu)象;接著,從分子池中提取到的互補(bǔ)的鏈會(huì)與模板鏈中信息匹配的部分配對(duì);隨著時(shí)間的推移,鏈中的發(fā)夾的波動(dòng)能夠促進(jìn)與相鄰鏈的雜化,形成穩(wěn)定的主干;再接著,當(dāng)溫度在短時(shí)間內(nèi)陡然升高,那么模板鏈就會(huì)與新形成的復(fù)制因子分離,二者都可以在下一輪復(fù)制中作為模板鏈存在。

發(fā)夾結(jié)構(gòu)能有助于基因鏈與相鄰鏈雜化。| 圖片來(lái)源:A.Kühnlein et。 al。 / eLife
也就是說(shuō),這樣的系統(tǒng)可以通過(guò)互補(bǔ)配對(duì)形成復(fù)合體。根據(jù)配對(duì)模式,8個(gè)這樣的復(fù)制因子復(fù)合在一起能夠編碼4位二進(jìn)制代碼,實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)的信息復(fù)制能力。這是一個(gè)重要發(fā)現(xiàn),它表明復(fù)制機(jī)制非常能夠抵抗由于錯(cuò)誤積累而導(dǎo)致的系統(tǒng)崩潰。復(fù)制因子復(fù)合體本身的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代轉(zhuǎn)運(yùn)RNA相似,這一事實(shí)表明,在轉(zhuǎn)運(yùn)RNA分子承擔(dān)其現(xiàn)代作用,將信使RNA序列翻譯成蛋白質(zhì)之前,早期的轉(zhuǎn)運(yùn)RNA就可能已經(jīng)參與了分子復(fù)制過(guò)程。
研究人員表示,在生命的早期進(jìn)化中,作為復(fù)制和翻譯之間的聯(lián)系,轉(zhuǎn)運(yùn)RNA可以為“先有雞還是先有蛋”問(wèn)題提供一個(gè)解決方案,它證明了信息的復(fù)制可以?xún)H通過(guò)類(lèi)轉(zhuǎn)運(yùn)RNA分子之間的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn),這個(gè)過(guò)程是由外部的非平衡物理環(huán)境所驅(qū)動(dòng)的,比如實(shí)驗(yàn)中的熱振蕩,它不依賴(lài)于特定的酶或催化,僅僅需要依靠序列互補(bǔ)就能做到。
這些實(shí)驗(yàn)加深了生物學(xué)家對(duì)早期生命起源的理解,闡明了轉(zhuǎn)運(yùn)RNA在被用于翻譯之前所起的作用,同時(shí)也讓生物化學(xué)家離在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出能自我復(fù)制的分子機(jī)器的目標(biāo)又近了一步。
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