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前沿资讯丨生命的起源:“RNA—多肽”的世界
行业新闻
发布时间:
2022-05-22
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生命的起源一直是科学家们不断探索的秘境,人们热衷于发现更多生命的规律,这些来自远古的规律将对现代生物技术带来全新的变革。近期的一项研究就揭示了生命起源的另一种可能性——“RNA-多肽世界”。

谈到生命的起源就不得不介绍米勒实验,米勒通过化学装置模拟原始大气,揭示了核糖、氨基酸等有机物质在原始地球环境下是如何形成的。这一神奇的化学过程为生命的起源奠定了物质基础。


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但这样的进化水平,似乎离生命还有很遥远的距离。正如我们所知道的那样,生命的运作是围绕着中心法则来进行的。尽管米勒实验证明原始大气可以产生核糖、氨基酸等小分子有机物质,但这些小分子物质是如何演化出生命所必需的大分子——DNA、RNA及蛋白质的?这个问题至今尚未得到一个令人完全信服的答案。


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基于中心法则,科学家们提出了很多假说,也出现了一个长期使人困惑的辩题。

1. 蛋白质的合成需要DNA序列作为模板。

2. DNA的合成需要酶(蛋白质)的催化作用。

那么,在生命起源的过程中,是先产生DNA还是先产生蛋白质的呢?


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随着核酶(一种RNA,具有催化作用)的发现,人们开始将目光转向RNA,意识到RNA既可以储存遗传信息,还能兼顾催化作用。因此人们推测,生命从RNA开始,随后再慢慢演化出蛋白质和DNA。


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然而研究发现,RNA酶的催化效率要远低于蛋白酶,这样的催化活性不足以支撑生命的进化,且复杂的RNA结构不稳定,容易发生降解。人们难以想象在没有蛋白酶的情况下,RNA是如何形成复杂的催化结构的。

近期,发表于《nature》上的一篇文章(A prebiotically plausible scenario of an RNA–peptide world: https://doi.org/10.1038/s41586-022-04676-3)提出了关于生命起源的一种新思路。该研究发现了一条基于RNA合成多肽的新途径,表明自然界中的RNA修饰碱基在生命起源过程中对“RNA-多肽”的形成具有重要意义。


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基于RNA的多肽合成新途径示意图


这一发现使得RNA和蛋白质的进化不再是孤立的存在,而是在一开始就通过非经典核苷残基对多肽进行修饰,从而形成嵌合结构。RNA和多肽这两种化学分子以共价键的方式连接,实现共同进化,进而产生越来越复杂的“RNA-多肽”结构。该研究还观察到,这种RNA和肽的偶联效果良好,完全符合共同进化的需求。


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RNA和多肽在不同情况下的偶联效果


在这样的机理下,研究人员观察到当使用 3'- v mnm 5 U - RNA-5' 2c作为受体进行1a - 1j反应时,肽键的形成率高达 77%。因此,研究人员以3'-肽-mnm 5 U-RNA-5' 受体链作为原始材料进行长链多肽的合成,发现偶联产量并没有随着肽长度的增加显著下降。


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RNA上长链多肽的合成


随着长链多肽和RNA的形成,其复合分子的化学功能势必会增加生成催化活性结构的机会。并且,通过加入2'-OMe 核苷酸来提高 RNA的稳定性,为“RNA-多肽”的共同进化提供了更大的想象空间。

该研究首次将多肽作为生命起源的重要结构,提出了在原始地球有机物以“RNA-多肽”的嵌合体形式进行共同进化,这样的方式不仅增加了形成催化活性结构的可能性,同时也比单一的RNA结构更为稳定。因此可以想象,其中一些结构在某些时候学会了通过腺苷酸化激活氨基酸并将它们转移到核糖 OH 基团上以捕获大而疏水的结构。这将实现从基于非经典核苷的 “RNA-多肽”世界向以核糖体为中心的翻译过程的转变,从而进化出大家所熟知的DNA-RNA-蛋白质的中心法则规律,而这也是当今地球上所有生命的标志。


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