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“RNA世界学说”中的主角到底有多厉害？

来源：晰数塔互联网快讯时间：2020年06月19日 08:00

本文来自微信公众号：科学大院（ID：kexuedayuan），作者：李颉（中国科学院青岛生物能源与过程研究所），头图来自unsplash

在浩瀚无边的宇宙中，尘埃、星云在漫无目的地游荡，星球按照自己的轨迹日复一日、年复一年地运转。这宇宙似乎是如此的孤寂，除了那颗湛蓝的星球，它是那么的与众不同，因为它孕育着千姿百态的生命。我们总会在仰望星空，细听蝉鸣蛙叫的时候问道：生命的起源是什么？

在对生命起源的探索过程中，最难以捉摸的是遗传物质的出现。四十亿年前，古地球的“原始汤”随周遭环境变化发生了一系列化学反应，最终产生了某种成为如今绚烂多彩的亿万生命起点的物质。多年来，科学家们一直在探索，承担“生命起点”这一伟大使命的物质是一种什么形式？它，又是从何时、何地、因何种契机出现的呢？

探索生命起源（图片来源：作者绘制）

生命可能起源于RNA？

关于生命起源的猜测有很多，其中沃特·吉尔伯提出的 “RNA世界学说”得到了诸如克里克等人的支持。RNA世界学说认为：生命最初可能是以RNA的形式出现，随着环境的改变，进化出现了如今的DNA和蛋白质。最初的RNA具有与如今DNA分子一般的储存遗传信息的功能，以及如蛋白酶一般的催化功能，为早期的细胞或者生命运动提供了一切所需的前提条件。

一个假想RNA世界的起源模式（图片来源：百度百科）

很多科学家对“RNA世界学说”坚信不疑，因为现存生命的一些迹象表明RNA可能是更为古老的生物大分子。

在如今生物世界的核心——中心法则中，RNA占据了中心位置，起到了“承上启下”的桥梁作用；

根据演化由简单到复杂的规律，具有更为简单结构的RNA很可能是生物大分子的起源；

RNA功能多样，能够承担DNA遗传信息载体的功能（如：复制）以及蛋白质的生命执行功能（如：催化）；

DNA的合成也离不开RNA的协助。

可以看到，种种迹象都在提示我们一种可能性：RNA是生命的起点。

作为原始遗传物质的必备“技能”

RNA的“存储技能”

RNA在结构上与DNA十分相似，而且也能够进行自我复制，这使得二者对于遗传信息的存储是类似的。在“RNA世界学说”中，它之所以被认为是生命的起点物质，主要是因为在生物合成途径上的先后顺序——从化学角度以及分子结构来看，DNA与RNA的差别就在于羟基（-OH）的有无，可以认为DNA是通过移除RNA上的羟基所形成的。所以，很多科学家就认为，合成DNA的前提是RNA能够先在细胞中生成。

DNA（脱氧核糖核苷酸）和RNA（核糖核苷酸）结构式（图片来源：作者绘制）

RNA通常以较为简单的单链形式呈现，这种结构使得它就像初生没有完全发育的幼鸟，它掌握的技能不多也不够精确，但它对一切充满好奇，“性格活泼”但又 “体质”虚弱，所以面对外界环境的冲击比较容易受到“伤害”，稍有不慎可能半路“夭折”——被降解。

然而，这并没有限制住RNA储存遗传信息的能力。作为结构简单的“新生儿”它具有无限可能，通过环境的塑造，它可以做出各种改变，这也使得进化成为可能。从进化的角度看，简单的分子总是最先出现，从不稳定向更稳定的方向进化，从功能简单广泛向专一化发展，所以RNA可能是先于DNA出现的遗传物质。

RNA的“催化技能”

具有催化能力的RNA，被称作核酶。如今已知的天然RNA催化剂大部分参与RNA的加工从而形成成熟的RNA分子。核糖体RNA（rRNA）和核糖核酸酶P（RNase P）便是具有催化能力的RNA，即核酶。

rRNA是核糖体的组成成分之一，除此之外还有核糖体蛋白质。其中rRNA在所有活细胞中都有发现，它负责催化，将所有的氨基酸元件一个接一个的按照模板组装，形成具有特定功能的蛋白质。

RNase P，是蛋白质以外第一个被发现具有催化能力的分子。最开始，人们发现有一种RNA能够给自己进行“化妆”，通过修改自己的结构让自己以更“完善”的形式存在于细胞中。后来，又发现有的RNase P还十分的乐于助“人”，通过对一些不能产生蛋白质的RNA进行“打扮”，使它们能够以更有效的状态去行使其它功能。比如说：tRNA（转运RNA）作为体内重要的一类RNA分子，其“初生”链的两端（5’和3’端）是一种不成熟的状态，其5’端就需要RNaseP进行“打扮”才能以一种“成熟”的姿态隆重出场！

RNaseP对tRNA前体进行“打扮”——剪切5’末端，成为“成熟”的tRNA行使转运氨基酸的功能（红色箭头为识别剪切位点）（图片来源：作者绘制）

RNA的“调控技能”

核糖开关是mRNA（信使RNA，蛋白质合成模板）上无法产生蛋白质的一些序列，在这些位置存在一个区域叫做“适体域”可以结合一些小分子配体。与配体结合后，核糖开关序列会像变形金刚一样“折叠”、“变形”，从简单的单链状态变为另一种形状。折叠后的序列会改变与下游RNA相互作用的状态，有的可能会使结合更加“密不可分”，有的可能会从此“分道扬镳”，以此达到在翻译水平调控的目的。

核糖开关示意图（图片来源：作者绘制）

RNA温度计是一类对温度敏感的RNA，这部分RNA通常不能用来产生蛋白质，但是能随温度变化调控基因表达。这个调控功能的发挥一般是某一部分的RNA序列结构对温度变化做出反应，通过“变形”使RNA上核糖体结合位点等重要区域被暴露或遮蔽，进而改变对相应基因的可及性，从而产生蛋白质生成速率有快有慢的不同结果。

比如说，在一种能够引起流感的利斯特菌中，其mRNA的某一部分在非体温环境下会折叠成扁平的发夹状结构，从而导致蛋白表达不发生；但是一旦在人体正常温度37℃左右的条件下，该菌株中的这种RNA的发夹结构会改变，使得“障碍物”消失，蛋白表达正常进行，进而导致疾病发生。

所以，我们或许可以做出这样的假设：最初，生命起源于RNA，随着进化的发生，逐渐产生了DNA分子和蛋白质分子。其中，结构更加稳定的DNA分子履行信息的储存功能，而专门催化具有酶活性的蛋白质取代了催化功能，构成了现代生命体系的架构。

从中心法则出发：“夹心”不好做

中心法则（图片来源：作者绘制）

从1961年Jacob和Monod证明在DNA和蛋白质中的“夹心”是mRNA起，中心法则日趋完善：遗传信息储存在能够自我复制的DNA中，通过转录将信息传递到了RNA，最后翻译形成了生命功能的执行者——蛋白质，虽然RNA也能够自我复制，并且逆转录形成DNA，但信息传递的起点是从DNA开始，到蛋白质结束。

直至今日，RNA的地位似乎都有些“不上不下”的尴尬，在DNA和蛋白质面前都显得“低人一等”：大多数生命将遗传物质储存在DNA中，而生命活动的直接执行者是蛋白质。

然而，从RNA世界假说的众多迹象来分析，RNA很可能是大BOSS级别的存在。因为在地球生命诞生伊始，它很可能是生物大分子的起源。即使在经过漫长的进化的如今，它的作用仍是举足轻重。没有它，DNA的遗传信息没法继续流传；没有它，蛋白质无法合成。或许，一切都是RNA一手操控，DNA只是它的“傀儡”，而蛋白质是它的阵前大将军！

缘来“饰”你——RNA修饰

常见的RNA修饰类型（图片来源：作者绘制）

其实，即使作为“夹心”，RNA也是不可或缺的一员，毕竟，它实在是“牵一发而动全身”的典型啊，稍加修饰，结局就可能会被改写。

所谓RNA修饰，就像人们在不同场合穿不同衣服，画不同妆容一样，就是对RNA分子进行一些小小的改动，或许是直接改变外表“服饰”，或许是添加一点“装饰品”等等。

近年来，多种RNA修饰陆续被研究者发现，如：6-甲基腺嘌呤（m6A）、5-甲基胞嘧啶（m5C）、假尿嘧啶（Pseudo U）等，它们都具有十分重要的功能。比如说：m6A修饰在神经系统的发育以及功能的行使中发挥不可替代的调控作用，并且能够调控造血干细胞的定向分化，当某段特定的RNA序列有m6A修饰时，生物体能够正常发育，若缺少修饰，可能会导致神经系统发育不完善、功能不全等后果。

随着对RNA修饰的研究逐渐深入，人们对转录后调控也有了更多的了解，RNA表观遗传学也越发兴起。表观遗传就是指：在基因的序列不变的前提下，基因的转录或者表达出现了差异，继而形成不同类型的组织、细胞，不同的修饰会在不同的生理过程中发挥不同的功能。小小的改变产生大大的不同，实在是“细节决定成败”啊！

写在最后

生命的起源问题是人们无穷无尽的好奇心的发源地，它就像是一个永恒的问题制造机，不断抛出诱饵，驱使我们去探索、去辩论、去研究！RNA世界假说、小行星假说、神创论等等，至今仍然没有定论，有的研究人员通过研究提出RNA和DNA可能最初是以一个整体的形式存在的，后来才分开履行各自的功能；也有的研究人员提出，最初的起点或许不是中心法则中的任何一种物质，而是硫脲（CH4N2S）这种含硫化学物质……

一切的一切，正如一些科学家所说的那样：“在生命起源问题上打上一个句号本身就是对这个问题的轻视。”

这个世界的真相有待我们进一步去追寻……

本文来自微信公众号：科学大院（ID：kexuedayuan），作者：李颉，中国科学院青岛生物能源与过程研究所）