RNA世界學說

求聞百科，共筆求聞
對比RNA（左）與DNA（右），顯示了螺旋和每個採用的核鹼基。

RNA世界學說（英語：RNA world hypothesis）理論認為，地球上早期的生命分子以RNA先出現，之後才有蛋白質和DNA[1]；這些早期的RNA分子同時擁有類似現在DNA具有的遺傳訊息儲存功能，以及類似現在蛋白質具有的催化能力[2]支持早期細胞或前細胞生命的運作[3][4]。

1960年代，多位科學家提出過RNA是原始分子的思想。「RNA世界」一詞則是由諾貝爾獎得主沃特·吉爾伯特於1986年提出，是依據現今RNA具有各種不同型態的催化性質所做的推論[5]。

歷史

在研究生命起源過程中的一大問題是，所有現存生物所使用的信息複製系統和能量代謝體系都涉及三種不同類型的生物大分子（DNA、RNA和蛋白質）之間的緊密合作，缺一不可。這似乎表明生命不可能由較簡單的形式逐步進化，而是突然一步到位變成當前這個三者並存的體系，顯然面對有如先有雞還是先有蛋的問題時，這種不可思議的設定並不符合常理，如果沒有進一步解釋的話，也就不可能探討這個關鍵問題。

而最早提出RNA可能是三者中最關鍵的原始分子[2]的是弗朗西斯·克里克[6]和萊斯利·奧格爾[7]以及卡爾·烏斯（在其1967年的書The Genetic Code《遺傳密碼》[8]）。另外，麻省理工學院的分子生物學家亞歷山大·里奇在1962年的一篇紀念諾獎得主聖捷爾吉·阿爾伯特的文章中也有類似想法[9]。漢斯·庫恩在1972年提出了現代的基因系統可能源於一個基於核苷酸的前體。這促使了哈羅德·懷特在1976年觀察到許多酶的必需輔因子是核苷酸或核苷酸衍生物，他提出這些核苷酸輔因子代表了「核酸酶的化石」（"fossils of nucleic acid enzymes"）[10]。而「RNA世界」一詞（"RNA World"）則是由諾獎得主沃特·吉爾伯特在1986年提出，來表示具有催化性質的可自我複製的RNA是最早的生物大分子的假說[11]。

RNA的屬性

RNA的一些性質使RNA世界假說在理論上是可行的，但作為生命的起源仍需更進一步的證據[9]。已知RNA能進行有效的催化作用，並且它與DNA的相似性也顯明它能作為生物信息的存儲物質。但對於RNA是否是第一個自發的自我複製系統（「RNA第一」假說），還是RNA是之前別的系統的演化或同時並進的產物仍然眾說紛紜[2]。例如有一個研究觀點就是認為不同類型的核酸，被稱為前RNA（pre-RNA）是第一個能進行自我複製的分子，之後才逐步被RNA所取代，至於前RNA生命今日已經滅絕。另外一些觀點認為，最近發現的一些有活性的核酸類似物，如肽核酸（PNA）、蘇糖核酸（TNA）、甘油核酸（GNA）等[12][13]也具有作為生命起源物質的可能性[14]，尚未知他們在早期生命演化的參與程度，故現在確定「RNA第一」還為時尚早[2]。雖然在結構上，這些核酸類似物和RNA比起來較為「簡單」，但在化學上難以說清RNA是從這些「較簡單」的物質演化而來[15]。

RNA作為酶

更多資訊：核酶

具有催化作用的RNA稱為核酶，在生命基於DNA的今天被稱為分子活化石。核酶在一些生物過程中起重要作用，比如核糖體，是蛋白質合成的關鍵。其它核酶也有許多不同功能，錘頭狀核酶能自我切割[16]，RNA聚合酶的一個核酶能自我催化自身的合成[17]。

在生命起源中酶所需的重要性質有：

  • 具有自我複製的能力，或複製其它的RNA分子。在實驗室中，一些較短的RNA已證明可以複製其它RNA。其中最短的為165-鹼基長，但據估計只有其中的一部分參與了複製功能。
  • 催化簡單化學反應的能力——即RNA分子能通過摺疊形成催化中心。在實驗室中，一些相對較短的RNA分子已具有該能力[18][19]。
  • 在RNA的3'-端結合氨基酸的能力，以使用其側鏈基團的化學性質[20]。
  • 催化肽鍵形成的能力，以生成短肽乃至更長的蛋白質。這一任務在現代的細胞中由核糖體完成。核糖體是由幾個RNA（稱為rRNA）和一些蛋白質（稱為核糖體蛋白質）組成的複合體，其中rRNA負責催化，核糖體蛋白質上的氨基酸殘基都距離活性位點的18Å以上[9]。在實驗室中合成了更短的能催化肽鍵生成的RNA，這暗示着rRNA可能由更短的RNA進化而來[21]。它也表明，氨基酸在進化出複雜的肽鏈之前，是以輔因子的形式參與RNA的反應，以提高其活性或使反應更多樣化。類似地，tRNA在作為轉運氨基酸的載體之前可能另有他用[22]。

RNA作為信息存儲介質

RNA與DNA分子非常相似，在化學上只有兩點不同，這使得生物信息在RNA上的存儲方式與DNA類似，而由於RNA通常只有單鏈，DNA形成了雙鏈螺旋，故DNA作為存儲介質更為穩定。

RNA和DNA的主要不同在於糖的2'-位多了個羥基基團

DNA和RNA的結構比較

主條目：RNA和DNA

RNA和DNA的主要不同在於RNA的核糖比DNA多了個羥基（見右側圖）[9]。但這個基團會使RNA更加不穩定，2'位的羥基基團會攻擊3'位的羥基的磷酸二酯鍵，從而使磷酸二酯骨架裂解。2'位羥基的存在還使RNA在構象上不能形成像DNA那樣的B型雙螺旋，而只能形成較不穩定的A型雙螺旋（無論是RNA-RNA雙鏈還是RNA-DNA雙鏈都只能是A型的雙螺旋）。與DNA所使用的腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶四種鹼基不同，RNA使用由腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶組成的一套不同的鹼基。從化學角度來說，尿嘧啶與胸腺嘧啶是相似的，不同之處僅在於5位的一個甲基。另外，尿嘧啶的合成所需要的能量更少。在鹼基互補配對方面，鹼基的不同並沒有影響。腺嘌呤可以輕易的與尿嘧啶和胸腺嘧啶結合。然而，尿嘧啶是胞嘧啶受損的產物之一，這就使RNA尤其容易受AU鹼基對或GU鹼基對(不穩定)置換GC鹼基對的突變影響。RNA被認為先於DNA出現，這是因為它們在生物合成途徑上的次序。組成DNA的去氧核糖核苷酸是從組成RNA的核糖核苷酸中通過移除2位上的羥基製取的。因此，一個細胞要具備合成DNA的能力首先要有合成RNA的能力。

RNA信息存儲的局限性

RNA的化學性質使得大RNA分子本身比較脆弱。他們可以很容易地水解成構成自身的核苷酸。[23][24]這些局限並沒有使RNA不能儲存信息，不過由於一些能量需要用來修補和替換損壞的RNA分子，這種儲存方式會更加耗費能量。而且變異的可能性也會增加。雖然這些特性使得RNA不適合用於今天的「DNA優化」的生命體，但是對於更加原始的生命體來說，這些也許是可以接受的。

RNA作為調控物質

主條目：核糖開關

核糖開關作為基因表達的調控物質之一，已在細菌、植物和古菌中發現。核糖開關會改變其二級結構以響應所結合的代謝物。這一結構改變會形成或截斷終止子，從而允許或中斷轉錄進行[25]。另外，核糖開關還可以結合或阻隔SD序列來影響轉錄[26]。這些核糖開關可能源自RNA世界[27]。此外，RNA溫度計也能受溫度變化而變構調節基因表達[28]。

當前難點

RNA世界假說能被諸如RNA能像DNA一樣存儲、傳遞、複製遺傳信息；RNA能作為核酶進行催化等證據支持，因它能執行DNA和蛋白質的任務，故被認為是生命起源的物質形式[9]。一些病毒也使用RNA而不是DNA作為其遺傳信息載體[29]。雖然核苷酸並未在米勒-尤里關於生命起源的實驗中出現，但它們可能的前體已有報道[14]，嘌呤鹼基如腺嘌呤可能由氰化氫五聚化生成。對Qβ噬菌體RNA的實驗也展示了RNA的自我複製能力[30]由於目前沒有已知的化學途徑能夠在生命起源以前的條件下以胞嘧啶和尿嘧啶為原料非生源合成核苷酸，有些人認為當時出現的核酸並不包括這些能夠在如今的生命中發現的鹼基[31]。胞嘧啶核糖核苷在100 °C（212 °F）下半衰期為19天，在冰水中半衰期為17000年，有些人認為對於核酸的積累來說這在地質年代上太短[32]。其他人懷疑核糖和其他糖鏈骨架能否在找到原始基因的原料的過程中保持穩定，[33]他們也提出所有的核糖分子必須為一樣的對映異構體，因為手性不一樣的核苷酸會成為一個核苷酸鏈的終止子[34]。

「分子生物學之夢」

「分子生物學之夢」（"Molecular biologist's dream"）這個提法由生化學家傑拉德·喬伊斯和萊斯利·奧格爾提出，指在實驗室得到第一個能自我複製的RNA分子，正如其它與RNA世界相關的實驗，它的成功取決於對前生命早期地球的精確模擬，但在這一點上常常失之千里[35]。值得注意的是，目前已知的核苷酸合成步驟中有許多都難以在前生命條件下進行[36]。喬伊斯和奧格爾特別指出分子生物學之夢需要「魔法般的催化」來將核苷酸轉化為隨機序列的多聚核苷酸，並使其有複製活性[35]。

參看

參考文獻

  1. ↑ Webb, Richard. Primordial broth of life was a dry Martian cup-a-soup. New Scientist. 2013-08-29 [2013-09-13]. 
  2. ↑ 2.0 2.1 2.2 2.3 Cech, T.R. (2011). The RNA Worlds in Context. Source: Department of Chemistry and Biochemistry, University of Colorado, Boulder, Colorado 80309-0215. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2011 Feb 16. pii: cshperspect.a006742v1. doi:10.1101/cshperspect.a006742. [Epub ahead of print]
  3. ↑
  4. ↑ Cech TR. The RNA worlds in context.. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2012, 4 (7): a006742. PMC 3385955 可免費查閱. PMID 21441585. doi:10.1101/cshperspect.a006742. 
  5. ↑ Gilbert, Walter. The RNA World. Nature. Feb 1986, 319: 618. doi:10.1038/319618a0. 
  6. ↑ Crick FH. The origin of the genetic code. J Mol Biol. 1968, 38 (3): 367–379. PMID 4887876. doi:10.1016/0022-2836(68)90392-6. 
  7. ↑ Orgel LE. Evolution of the genetic apparatus. J Mol Biol. 1968, 38 (3): 381–393. PMID 5718557. doi:10.1016/0022-2836(68)90393-8. 
  8. ↑ Woese C.R. (1967). The genetic code: The molecular basis for genetic expression. p. 186. Harper & Row
  9. ↑ 9.0 9.1 9.2 9.3 9.4 Atkins, John F.; Gesteland, Raymond F.; Cech, Thomas. The RNA world: the nature of modern RNA suggests a prebiotic RNA world. Plainview, N.Y: Cold Spring Harbor Laboratory Press. 2006. ISBN 0-87969-739-3. 
  10. ↑ White, HB III. Coenzymes as Fossils of an Earlier Metabolic State. J Mol Evol. 1976, 7 (2): 101–104. PMID 1263263. doi:10.1007/BF01732468. 
  11. ↑ Gilbert, Walter. The RNA World. Nature. 1986-02, 319 (6055): 618. Bibcode:1986Natur.319..618G. doi:10.1038/319618a0. 
  12. ↑ Orgel, Leslie. A Simpler Nucleic Acid. Science. 2000-11, 290 (5495): 1306–7. PMID 11185405. doi:10.1126/science.290.5495.1306. 
  13. ↑ Nelson, K.E.; Levy, M.; Miller, S.L. Peptide nucleic acids rather than RNA may have been the first genetic molecule. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2000-04, 97 (8): 3868–71. Bibcode:2000PNAS...97.3868N. PMC 18108 可免費查閱. PMID 10760258. doi:10.1073/pnas.97.8.3868. 
  14. ↑ 14.0 14.1 Powner M.W., Gerland B, Sutherland J.D. Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions. Nature. 2009, 459 (7244): 239–242. Bibcode:2009Natur.459..239P. PMID 19444213. doi:10.1038/nature08013. 
  15. ↑ Sutherland, J.D; Anastasi, C., Buchet F.F, Crower M.A, Parkes A.L, Powner M. W., Smith J.M. RNA: Prebiotic Product, or Biotic Invention. Chemistry & Biodiversity. 2007-04, 4 (4): 721–739. PMID 17443885. doi:10.1002/cbdv.200790060. 
  16. ↑ Forster AC, Symons RH. Self-cleavage of plus and minus RNAs of a virusoid and a structural model for the active sites. Cell. 1987, 49 (2): 211–220. PMID 2436805. doi:10.1016/0092-8674(87)90562-9. 
  17. ↑ Johnston W, Unrau P, Lawrence M, Glasner M, Bartel D. RNA-catalyzed RNA polymerization: accurate and general RNA-templated primer extension (PDF). Science. 2001, 292 (5520): 1319–25 [2014-07-25]. Bibcode:2001Sci...292.1319J. PMID 11358999. doi:10.1126/science.1060786. 
  18. ↑ Huang, Yang, and Yarus, RNA enzymes with two small-molecule substrates . Chemistry & Biology, Vol 5, 669-678, November 1998
  19. ↑ Unrau, P. J.; Bartel, D. P. RNA-catalysed nucleotide synthesis. Nature. 1998, 395 (6699): 260–263. Bibcode:1998Natur.395..260U. PMID 9751052. doi:10.1038/26193. 
  20. ↑ Erives A. A Model of Proto-Anti-Codon RNA Enzymes Requiring L-Amino Acid Homochirality. J Molecular Evolution. 2011, 73 (1–2): 10–22. PMC 3223571 可免費查閱. PMID 21779963. doi:10.1007/s00239-011-9453-4. 
  21. ↑ Zhang, Biliang; Cech, Thomas R. Peptide bond formation by in vitro selected ribozymes. Nature. 1997, 390 (6655): 96–100. Bibcode:1997Natur.390...96Z. PMID 9363898. doi:10.1038/36375. 
  22. ↑ Szathmary, E. The origin of the genetic code: amino acids as cofactors in an RNA world. Trends in Genetics. 1999, 15 (6): 223–229. PMID 10354582. doi:10.1016/S0168-9525(99)01730-8. 
  23. ↑ Lindahl, T. Instability and decay of the primary structure of DNA. Nature. 1993-04, 362 (6422): 709–15. Bibcode:1993Natur.362..709L. PMID 8469282. doi:10.1038/362709a0. 
  24. ↑ Pääbo, S. Ancient DNA. Scientific American. 1993-11, 269 (5): 60–66. doi:10.1038/scientificamerican1193-86. 
  25. ↑ Nudler E, Mironov AS. The riboswitch control of bacterial metabolism. Trends Biochem Sci. 2004, 29 (1): 11–7. PMID 14729327. doi:10.1016/j.tibs.2003.11.004. 
  26. ↑ Tucker BJ, Breaker RR. Riboswitches as versatile gene control elements. Current Opinion in Structural Biology. 2005, 15 (3): 342–8. PMID 15919195. doi:10.1016/j.sbi.2005.05.003. 
  27. ↑ Switching the light on plant riboswitches. Samuel Bocobza and Asaph Aharoni Trends in Plant Science Volume 13, Issue 10, October 2008, Pages 526-533 doi:10.1016/j.tplants.2008.07.004 PMID 18778966
  28. ↑ Narberhaus F, Waldminghaus T, Chowdhury S. RNA thermometers. FEMS Microbiol. Rev. 2006-01, 30 (1): 3–16 [2011-04-23]. PMID 16438677. doi:10.1111/j.1574-6976.2005.004.x. 
  29. ↑ Patton, John T. Editor (2008). Segmented Double-stranded RNA Viruses: Structure and Molecular Biology. Caister Academic Press. Editor's affiliation: Laboratory of Infectious Diseases, NIAID, NIH, Bethesda, MD 20892-8026. ISBN 978-1-904455-21-9
  30. ↑ Bell, Graham: The Basics of Selection. Springer, 1997.
  31. ↑ Orgel, L. The origin of life on earth. Scientific American. 1994, 271 (4): 81. PMID 7524147. doi:10.1038/scientificamerican1094-76. 
  32. ↑ Levy, Matthew; Miller, Stanley L. The stability of the RNA bases: Implications for the origin of life. PNAS. 1998, 95 (14): 7933–7938. Bibcode:1998PNAS...95.7933L. PMC 20907 可免費查閱. PMID 9653118. doi:10.1073/pnas.95.14.7933. 
  33. ↑ Larralde, R.; Robertson, M. P.; Miller, S. L. Rates of decomposition of ribose and other sugars: implications for chemical evolution. PNAS. 1995, 92 (18): 8158–8160. Bibcode:1995PNAS...92.8158L. PMC 41115 可免費查閱. PMID 7667262. doi:10.1073/pnas.92.18.8158. 
  34. ↑ Joyce GF; et al. Chiral selection in poly(C)-directed synthesis of oligo(G). Nature. 1984, 310 (5978): 602–604. Bibcode:1984Natur.310..602J. PMID 6462250. doi:10.1038/310602a0. 
  35. ↑ 35.0 35.1 Gordon C. Mills, Dean Kenyon. The RNA World: A Critique. Access Research Network. [2011-09-10]. 
  36. ↑ Schopf, J. William. Life's origin: the beginnings of biological evolution. University of California Press. 2002: 150. ISBN 0-520-23390-5. 

外部連結

取自 "https://www.qiuwenbaike.cn/index.php?title=RNA世界學說&oldid=6463240"