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转运RNA:生命起源中的一种复杂关联

时间: 2021年03月11日 | 作者: Admin | 来源: 原理
科学家想知道,在早期地球上,当第一批生命开始进化之时,转运RNA所起的作用是如何产生的?

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  生命起源一直是现代科学中最受关注的大问题之一,要解开这个谜题,我们还需要找到太多问题的答案。我们所知道的生命其实基于一个复杂的相互作用的网络,这些相互作用发生纳米级在微观尺度上,与数以千计的不同分子有关。在生物细胞中,有这样一个基本过程每天都在无数次地重复发生——复制。


  DNA中储存着的遗传信息包含了制造生物体发育、生长和生存所必须的所有蛋白质的指令,通过复制过程,蛋白质能够对这些编码在DNA分子中的遗传信息进行复制,然后在细胞分裂时,将这些信息均匀地分配到两个子细胞中。接着,这些信息会被有选择地“转录”成信使RNA(mRNA)分子,信使RNA会被“翻译”成最终能形成蛋白质的氨基酸链。


  在信使RNA被“翻译”成蛋白质的过程中,有一类起着核心作用的RNA——转运RNA(tRNA)。转运RNA在这个过程中负责将信使RNA翻译成蛋白质,确保每种特定蛋白质所包含的氨基酸链都是按照相应顺序排列的。


  科学家想知道,在早期地球上,当第一批生命开始进化之时,转运RNA所起的作用是如何产生的?


  这个问题其实涉及到生命早期进化研究中的一个长期存在的“先有鸡还是先有蛋”的问题:基因信息的转录需要蛋白质,但蛋白质的合成依赖于基因信息的转录,那么究竟是先有制造蛋白质所需的DNA序列,还是先有转录和翻译DNA所需的蛋白质?


  现在,慕尼黑大学的一组研究人员发表了一项新的研究,为如何解决这个难题提供了新的见解。


  作为生命进化的早期过程,复制和翻译与其他过程一样,并不是一蹴而就的,它们是进化过程积累的结果。在其发展过程中,一些基本现象,比如自复制、自催化、自组织和分室化等可能都发挥了重要作用。通常来说,这些物理和化学过程完全受环境中的非平衡条件所驱使,比如温度变化等。


  包含了遗传信息的转运RNA是生物圈中最古老的分子之一。在新研究中,几位生物物理学家对转运RNA的遗传密码进行了微小改动,他们使用了一组以现代转录RNA的特征形式为模型的互补DNA链,每个都含有两个“发夹”结构。所谓发夹,是一种可部分自我互补配对形成的细长的环状结构。


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  在对它们的序列进行测试后,研究人员发现在外部温度条件发生了变化的情况下,这些有着微小突变的“早期”形式的转运RNA可以自主地发生相互作用,自我组装成能够复制存储在其序列中的信息的复制因子。


  温度变化是通过四个过程驱使复制过程的:首先,通过快速冷却,发夹会被激活形成闭合的构象;接着,从分子池中提取到的互补的链会与模板链中信息匹配的部分配对;随着时间的推移,链中的发夹的波动能够促进与相邻链的杂化,形成稳定的主干;再接着,当温度在短时间内陡然升高,那么模板链就会与新形成的复制因子分离,二者都可以在下一轮复制中作为模板链存在。


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  发夹结构能有助于基因链与相邻链杂化。| 图片来源:A.Kühnlein et。 al。 / eLife


  也就是说,这样的系统可以通过互补配对形成复合体。根据配对模式,8个这样的复制因子复合在一起能够编码4位二进制代码,实现指数级的信息复制能力。这是一个重要发现,它表明复制机制非常能够抵抗由于错误积累而导致的系统崩溃。复制因子复合体本身的结构与现代转运RNA相似,这一事实表明,在转运RNA分子承担其现代作用,将信使RNA序列翻译成蛋白质之前,早期的转运RNA就可能已经参与了分子复制过程。


  研究人员表示,在生命的早期进化中,作为复制和翻译之间的联系,转运RNA可以为“先有鸡还是先有蛋”问题提供一个解决方案,它证明了信息的复制可以仅通过类转运RNA分子之间的相互作用来实现,这个过程是由外部的非平衡物理环境所驱动的,比如实验中的热振荡,它不依赖于特定的酶或催化,仅仅需要依靠序列互补就能做到。


  这些实验加深了生物学家对早期生命起源的理解,阐明了转运RNA在被用于翻译之前所起的作用,同时也让生物化学家离在实验室中创造出能自我复制的分子机器的目标又近了一步。