“RNA世界學(xué)說(shuō)”中的主角到底有多厲害？

作者：李頡（中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所）

文章來(lái)源于科學(xué)大院公眾號(hào)（ID：kexuedayuan）

——

在浩瀚無(wú)邊的宇宙中，塵埃、星云在漫無(wú)目的地游蕩，星球按照自己的軌跡日復(fù)一日、年復(fù)一年地運(yùn)轉(zhuǎn)。這宇宙似乎是如此的孤寂，除了那顆湛藍(lán)的星球，它是那么的與眾不同，因?yàn)樗杏ё税賾B(tài)的生命。我們總會(huì)在仰望星空，細(xì)聽(tīng)蟬鳴蛙叫的時(shí)候問(wèn)道：生命的起源是什么？

在對(duì)生命起源的探索過(guò)程中，最難以捉摸的是遺傳物質(zhì)的出現(xiàn)。四十億年前，古地球的“原始湯”隨周遭環(huán)境變化發(fā)生了一系列化學(xué)反應(yīng)，最終產(chǎn)生了某種成為如今絢爛多彩的億萬(wàn)生命起點(diǎn)的物質(zhì)。多年來(lái)，科學(xué)家們一直在探索，承擔(dān)“生命起點(diǎn)”這一偉大使命的物質(zhì)是一種什么形式？它，又是從何時(shí)、何地、因何種契機(jī)出現(xiàn)的呢？

探索生命起源（圖片來(lái)源：作者繪制）

生命可能起源于RNA？

關(guān)于生命起源的猜測(cè)有很多，其中沃特·吉爾伯提出的 “RNA世界學(xué)說(shuō)”得到了諸如克里克等人的支持。RNA世界學(xué)說(shuō)認(rèn)為：生命最初可能是以RNA的形式出現(xiàn)，隨著環(huán)境的改變，進(jìn)化出現(xiàn)了如今的DNA和蛋白質(zhì)。最初的RNA具有與如今DNA分子一般的儲(chǔ)存遺傳信息的功能，以及如蛋白酶一般的催化功能，為早期的細(xì)胞或者生命運(yùn)動(dòng)提供了一切所需的前提條件。

一個(gè)假想RNA世界的起源模式（圖片來(lái)源：百度百科）

很多科學(xué)家對(duì)“RNA世界學(xué)說(shuō)”堅(jiān)信不疑，因?yàn)楝F(xiàn)存生命的一些跡象表明RNA可能是更為古老的生物大分子。

在如今生物世界的核心——中心法則中，RNA占據(jù)了中心位置，起到了“承上啟下”的橋梁作用；

根據(jù)演化由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的規(guī)律，具有更為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的RNA很可能是生物大分子的起源；

RNA功能多樣，能夠承擔(dān)DNA遺傳信息載體的功能（如：復(fù)制）以及蛋白質(zhì)的生命執(zhí)行功能（如：催化）；

DNA的合成也離不開(kāi)RNA的協(xié)助。

可以看到，種種跡象都在提示我們一種可能性：RNA是生命的起點(diǎn)。

作為原始遺傳物質(zhì)的必備“技能”

RNA的“存儲(chǔ)技能”

RNA在結(jié)構(gòu)上與DNA十分相似，而且也能夠進(jìn)行自我復(fù)制，這使得二者對(duì)于遺傳信息的存儲(chǔ)是類似的。在“RNA世界學(xué)說(shuō)”中，它之所以被認(rèn)為是生命的起點(diǎn)物質(zhì)，主要是因?yàn)樵谏锖铣赏緩缴系南群箜樞颉獜幕瘜W(xué)角度以及分子結(jié)構(gòu)來(lái)看，DNA與RNA的差別就在于羥基（-OH）的有無(wú)，可以認(rèn)為DNA是通過(guò)移除RNA上的羥基所形成的。所以，很多科學(xué)家就認(rèn)為，合成DNA的前提是RNA能夠先在細(xì)胞中生成。

脫氧核糖核苷和核糖核苷的結(jié)構(gòu)式（圖片來(lái)源：作者繪制）

RNA通常以較為簡(jiǎn)單的單鏈形式呈現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)使得它就像初生沒(méi)有完全發(fā)育的幼鳥(niǎo)，它掌握的技能不多也不夠精確，但它對(duì)一切充滿好奇，“性格活潑”但又 “體質(zhì)”虛弱，所以面對(duì)外界環(huán)境的沖擊比較容易受到“傷害”，稍有不慎可能半路“夭折”——被降解。

然而，這并沒(méi)有限制住RNA儲(chǔ)存遺傳信息的能力。作為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的“新生兒”它具有無(wú)限可能，通過(guò)環(huán)境的塑造，它可以做出各種改變，這也使得進(jìn)化成為可能。從進(jìn)化的角度看，簡(jiǎn)單的分子總是最先出現(xiàn)，從不穩(wěn)定向更穩(wěn)定的方向進(jìn)化，從功能簡(jiǎn)單廣泛向?qū)Ｒ换l(fā)展，所以RNA可能是先于DNA出現(xiàn)的遺傳物質(zhì)。

RNA的“催化技能”

具有催化能力的RNA，被稱作核酶。如今已知的天然RNA催化劑大部分參與RNA的加工從而形成成熟的RNA分子。核糖體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是核糖體的組成成分之一，除此之外還有核糖體蛋白質(zhì)。其中rRNA在所有活細(xì)胞中都有發(fā)現(xiàn)，它負(fù)責(zé)催化，將所有的氨基酸元件一個(gè)接一個(gè)的按照模板組裝，形成具有特定功能的蛋白質(zhì)。

RNase P，是蛋白質(zhì)以外第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)具有催化能力的分子。最開(kāi)始，人們發(fā)現(xiàn)有一種RNA能夠給自己進(jìn)行“化妝”，通過(guò)修改自己的結(jié)構(gòu)讓自己以更“完善”的形式存在于細(xì)胞中。后來(lái)，又發(fā)現(xiàn)有的RNase P還十分的樂(lè)于助“人”，通過(guò)對(duì)一些不能產(chǎn)生蛋白質(zhì)的RNA進(jìn)行“打扮”，使它們能夠以更有效的狀態(tài)去行使其它功能。比如說(shuō)：tRNA（轉(zhuǎn)運(yùn)RNA）作為體內(nèi)重要的一類RNA分子，其“初生”鏈的兩端（5’和3’端）是一種不成熟的狀態(tài)，其5’端就需要RNaseP進(jìn)行“打扮”才能以一種“成熟”的姿態(tài)隆重出場(chǎng)！

RNaseP對(duì)tRNA前體進(jìn)行“打扮”——剪切5’末端，成為“成熟”的tRNA行使轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的功能（紅色箭頭為識(shí)別剪切位點(diǎn)）（圖片來(lái)源：作者繪制）

RNA的“調(diào)控技能”

核糖開(kāi)關(guān)是mRNA（信使RNA，蛋白質(zhì)合成模板）上無(wú)法產(chǎn)生蛋白質(zhì)的一些序列，在這些位置存在一個(gè)區(qū)域叫做“適體域”可以結(jié)合一些小分子配體。與配體結(jié)合后，核糖開(kāi)關(guān)序列會(huì)像變形金剛一樣“折疊”、“變形”，從簡(jiǎn)單的單鏈狀態(tài)變?yōu)榱硪环N形狀。折疊后的序列會(huì)改變與下游RNA相互作用的狀態(tài)，有的可能會(huì)使結(jié)合更加“密不可分”，有的可能會(huì)從此“分道揚(yáng)鑣”，以此達(dá)到在翻譯水平調(diào)控的目的。

核糖開(kāi)關(guān)示意圖（圖片來(lái)源：作者繪制）

RNA溫度計(jì)是一類對(duì)溫度敏感的RNA，這部分RNA通常不能用來(lái)產(chǎn)生蛋白質(zhì)，但是能隨溫度變化調(diào)控基因表達(dá)。這個(gè)調(diào)控功能的發(fā)揮一般是某一部分的RNA序列結(jié)構(gòu)對(duì)溫度變化做出反應(yīng)，通過(guò)“變形”使RNA上核糖體結(jié)合位點(diǎn)等重要區(qū)域被暴露或遮蔽，進(jìn)而改變對(duì)相應(yīng)基因的可及性，從而產(chǎn)生蛋白質(zhì)生成速率有快有慢的不同結(jié)果。

比如說(shuō)，在一種能夠引起流感的利斯特菌中，其mRNA的某一部分在非體溫環(huán)境下會(huì)折疊成扁平的發(fā)夾狀結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致蛋白表達(dá)不發(fā)生；但是一旦在人體正常溫度37℃左右的條件下，該菌株中的這種RNA的發(fā)夾結(jié)構(gòu)會(huì)改變，使得“障礙物”消失，蛋白表達(dá)正常進(jìn)行，進(jìn)而導(dǎo)致疾病發(fā)生。

所以，我們或許可以做出這樣的假設(shè)：最初，生命起源于RNA，隨著進(jìn)化的發(fā)生，逐漸產(chǎn)生了DNA分子和蛋白質(zhì)分子。其中，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定的DNA分子履行信息的儲(chǔ)存功能，而專門催化具有酶活性的蛋白質(zhì)取代了催化功能，構(gòu)成了現(xiàn)代生命體系的架構(gòu)。

從中心法則出發(fā)：“夾心”不好做

中心法則（圖片來(lái)源：作者繪制）

從1961年Jacob和Monod證明在DNA和蛋白質(zhì)中的“夾心”是mRNA起，中心法則日趨完善：遺傳信息儲(chǔ)存在能夠自我復(fù)制的DNA中，通過(guò)轉(zhuǎn)錄將信息傳遞到了RNA，最后翻譯形成了生命功能的執(zhí)行者——蛋白質(zhì)，雖然RNA也能夠自我復(fù)制，并且逆轉(zhuǎn)錄形成DNA，但信息傳遞的起點(diǎn)是從DNA開(kāi)始，到蛋白質(zhì)結(jié)束。

直至今日，RNA的地位似乎都有些“不上不下”的尷尬，在DNA和蛋白質(zhì)面前都顯得“低人一等”：大多數(shù)生命將遺傳物質(zhì)儲(chǔ)存在DNA中，而生命活動(dòng)的直接執(zhí)行者是蛋白質(zhì) 。

然而，從RNA世界假說(shuō)的眾多跡象來(lái)分析，RNA很可能是大BOSS級(jí)別的存在。因?yàn)樵诘厍蛏Q生伊始，它很可能是生物大分子的起源。即使在經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的進(jìn)化的如今，它的作用仍是舉足輕重。沒(méi)有它，DNA的遺傳信息沒(méi)法繼續(xù)流傳；沒(méi)有它，蛋白質(zhì)無(wú)法合成?；蛟S，一切都是RNA一手操控，DNA只是它的“傀儡”，而蛋白質(zhì)是它的陣前大將軍！

緣來(lái)“飾”你——RNA修飾

常見(jiàn)的RNA修飾類型（圖片來(lái)源：作者繪制）

其實(shí)，即使作為“夾心”，RNA也是不可或缺的一員，畢竟，它實(shí)在是“牽一發(fā)而動(dòng)全身”的典型啊，稍加修飾，結(jié)局就可能會(huì)被改寫。

所謂RNA修飾，就像人們?cè)诓煌瑘?chǎng)合穿不同衣服，畫不同妝容一樣，就是對(duì)RNA分子進(jìn)行一些小小的改動(dòng)，或許是直接改變外表“服飾”，或許是添加一點(diǎn)“裝飾品”等等。

近年來(lái)，多種RNA修飾陸續(xù)被研究者發(fā)現(xiàn)，如：6-甲基腺嘌呤（m6A）、5-甲基胞嘧啶（m5C）、假尿嘧啶（Pseudo U）等，它們都具有十分重要的功能。比如說(shuō)：m6A修飾在神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育以及功能的行使中發(fā)揮不可替代的調(diào)控作用，并且能夠調(diào)控造血干細(xì)胞的定向分化，當(dāng)某段特定的RNA序列有m6A修飾時(shí)，生物體能夠正常發(fā)育，若缺少修飾，可能會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育不完善、功能不全等后果。

隨著對(duì)RNA修飾的研究逐漸深入，人們對(duì)轉(zhuǎn)錄后調(diào)控也有了更多的了解，RNA表觀遺傳學(xué)也越發(fā)興起。表觀遺傳就是指：在基因的序列不變的前提下，基因的轉(zhuǎn)錄或者表達(dá)出現(xiàn)了差異，繼而形成不同類型的組織、細(xì)胞，不同的修飾會(huì)在不同的生理過(guò)程中發(fā)揮不同的功能。小小的改變產(chǎn)生大大的不同，實(shí)在是“細(xì)節(jié)決定成敗”?。?/p>

寫在最后

生命的起源問(wèn)題是人們無(wú)窮無(wú)盡的好奇心的發(fā)源地，它就像是一個(gè)永恒的問(wèn)題制造機(jī)，不斷拋出誘餌，驅(qū)使我們?nèi)ヌ剿?、去辯論、去研究！RNA世界假說(shuō)、小行星假說(shuō)、神創(chuàng)論等等，至今仍然沒(méi)有定論，有的研究人員通過(guò)研究提出RNA和DNA可能最初是以一個(gè)整體的形式存在的，后來(lái)才分開(kāi)履行各自的功能；也有的研究人員提出，最初的起點(diǎn)或許不是中心法則中的任何一種物質(zhì)，而是硫脲（CH4N2S）這種含硫化學(xué)物質(zhì)……

一切的一切，正如一些科學(xué)家所說(shuō)的那樣：“在生命起源問(wèn)題上打上一個(gè)句號(hào)本身就是對(duì)這個(gè)問(wèn)題的輕視?！?/p>

這個(gè)世界的真相有待我們進(jìn)一步去追尋……

（圖片來(lái)源：VEER圖庫(kù)）