寫在前面

? ? 怎么說(shuō)呢，這個(gè)系列就是把自己的homework拿出來(lái)曬一曬，也就是圖一樂(lè)丟人現(xiàn)眼一下，因?yàn)楸救四芰椭R(shí)范圍有限，難免會(huì)有錯(cuò)誤，請(qǐng)諒解一下，也就是僅供參考。引文都有標(biāo)注，如果有侵權(quán)的可以聯(lián)系我。歡迎各位大佬多交流，提問(wèn)題、指錯(cuò)誤。要是能關(guān)注一波那就更好了！

關(guān)于“the RNA world”假說(shuō)及其相關(guān)研究的思考

——Repopulating the RNA world閱讀心得

1 “the RNA world”假說(shuō)

1.1?“the RNA world”假說(shuō)的提出

一直以來(lái)，生命起源都是生命科學(xué)領(lǐng)域探索的終極問(wèn)題，關(guān)于生命起源長(zhǎng)期存在著一個(gè)悖論:生物分子如何可能通過(guò)自然選擇進(jìn)化到首先控制自己的復(fù)制?，F(xiàn)今，這個(gè)過(guò)程是復(fù)雜分子相互作用的良好協(xié)調(diào)組合的結(jié)果，這些相互作用本身都不代表一個(gè)生命系統(tǒng)。任何一個(gè)組件的孤立發(fā)展都會(huì)引發(fā)“chicken or the egg causality dilemma”的難題?？茖W(xué)家們普遍認(rèn)為非生命的化學(xué)物質(zhì)不可能通過(guò)單一的步驟產(chǎn)生單細(xì)胞生命，所以一定存在著中間體-細(xì)胞前的生命形式，而在各種細(xì)胞前的生命形式假說(shuō)中，最受歡迎的就是“the RNA world”。[1-2]

1986年，隨著多種RNA核酶催化活性的發(fā)現(xiàn)，Walter Gilbert基于20世紀(jì)60年代各位科學(xué)家提出的RNA為原始生命分子的思想,首次正式提出了“the RNA world”的假說(shuō)。他設(shè)想早期生命起源階段存在著一個(gè)原始的、只含有RNA的世界：RNA分子催化自我復(fù)制，通過(guò)自我剪接產(chǎn)生具有功能活性的RNA分子，通過(guò)內(nèi)含子形成的轉(zhuǎn)座元件不斷重排以適應(yīng)不同環(huán)境。隨著RNA適體分子的出現(xiàn)，RNA分子結(jié)合并排列活性氨基酸分子，形成了早期的蛋白質(zhì)。最終，RNA分子通過(guò)逆轉(zhuǎn)錄形成DNA分子，并逐步被更穩(wěn)定的雙鏈DNA分子取代。[3]

1.2 支持“the RNA world”假說(shuō)的證據(jù)

首先，RNA分子的自我復(fù)制能力有力地支持了RNA世界假說(shuō)。一方面，核酶可以催化RNA鏈的復(fù)制。2001年Wendy K. Johnston等人通過(guò)對(duì)I族內(nèi)含子的自剪切RNA酶進(jìn)行修飾，并進(jìn)行反復(fù)突變和篩選，獲得了催化RNA復(fù)制的核酶，它以單核苷酸三磷酸為底物，可以在引物后連續(xù)地添加14個(gè)核苷酸，且具有較高正確率（96%-99%）的同時(shí)還沒(méi)有復(fù)制序列限制。[4]2011年Aniela Wochner等人通過(guò)改造、進(jìn)化、重組等方法，獲得了一種通用的RNA聚合核酶tC19Z，并用其合成了具有活性的錘頭型內(nèi)切核酶。同年Christopher Deck等人揭示了活化核苷酸水解產(chǎn)物對(duì)合成RNA鏈延伸的抑制作用，并且通過(guò)固定RNA模板鏈以及定期更換活性核苷酸單體，實(shí)現(xiàn)了含A\G\C\U的RNA模板擴(kuò)增。這暗示在生命早期寡核苷酸鏈可能在某些物質(zhì)表面形成并擴(kuò)增。2016年David P. Horning和Gerald F. Joyce通過(guò)體外進(jìn)化的方法，獲得了高速度（超過(guò)野生型100倍）的RNA聚合核酶24-3。這種核酶擺脫了之前聚合酶對(duì)無(wú)高級(jí)結(jié)構(gòu)、富含C的模板的偏好，可以擴(kuò)增功能RNA如適配體、核酶以及tRNA。同時(shí)研究者們利用這種核酶進(jìn)行了短片段RNA的PCR擴(kuò)增，而這種PCR過(guò)程被認(rèn)為可能是早期RNA擴(kuò)增的形式，由熱液體的周期性噴發(fā)或冷熱液體對(duì)流導(dǎo)致，這與早期生命起源于海底熱泉口的假說(shuō)相呼應(yīng)。[5]

另一方面，一些研究者認(rèn)為核酶這種自催化增殖方式在細(xì)胞等區(qū)室化的環(huán)境內(nèi)可能是穩(wěn)定的，而在早期世界的溶液中魯棒性不佳，因此他們通過(guò)多種RNA的協(xié)作，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的RNA復(fù)制。2009年Tracey A. Lincoln和Gerald F. Joyce構(gòu)建了一種交叉催化的RNA復(fù)制系統(tǒng)，兩種核酶以四種寡核苷酸鏈為底物互相催化合成，可以進(jìn)行持續(xù)的指數(shù)擴(kuò)增。2012年Nilesh Vaidya等人構(gòu)建了RNA復(fù)制子協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，多個(gè)RNA分子互為模板并相互催化，而且與自催化的RNA分子相比，多RNA分子復(fù)制網(wǎng)路的擴(kuò)增速度要更快。這可能是早期生命用于減少有害突變，緩沖遺傳信息衰減的一種策略。[5]

?此外，“the RNA world”的起源問(wèn)題還涉及到核苷酸的無(wú)酶合成，以及核苷酸的無(wú)酶聚合。盡管已經(jīng)證實(shí)了RNA核酶具有催化RNA復(fù)制的能力，但研究者們?nèi)匀恍枰P(guān)注于進(jìn)化出核酶前RNA是如何進(jìn)行合成、擴(kuò)增的。2009年Matthew W. Powner等人以氰胺、氰基乙炔、乙醇醛、甘油醛和無(wú)機(jī)磷酸鹽為原料，通過(guò)阿拉伯糖氨基-噁唑啉和脫水核苷中間體，合成了活化的嘧啶核糖核苷酸，這說(shuō)明早期世界中合成核苷酸的方式不一定是目前細(xì)胞中的“磷酸-核糖-堿基”形式，而可能采用其他路徑。其實(shí)驗(yàn)中所使用的原料及合成條件與早期地球化學(xué)模型相一致。而在2016年，Sidney Becker等人利用甲胺磷嘧啶與糖的縮合反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)率達(dá)60%的天然N-9核苷類化合物的產(chǎn)生，為嘌呤核苷在早期世界的產(chǎn)生提供了一個(gè)可行的方案。值得一提的是，嘌呤核苷可以由甲酸和氨基嘧啶反應(yīng)得到，而氨基嘧啶和甲酸可以由在彗星上發(fā)現(xiàn)的小分子（如HCN、NH3等）得到。而對(duì)于核苷酸的無(wú)酶聚合，在1996年James P. Ferris等人利用固體介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了55個(gè)核苷酸單體的多聚替，而在相同的條件溶液中只能造成10個(gè)活性單體的多聚，這也與上文提到的Christopher Deck等人的工作不謀而合：或許在早期世界中，固體介質(zhì)是RNA形成及擴(kuò)增的重要影響因素。[5]

此外，“the RNA?world”的發(fā)展去向的證據(jù)對(duì)該假說(shuō)也有支撐，其去向?yàn)閮蓚€(gè)：大部分存儲(chǔ)遺傳信息的功能被DNA所取代，大部分直接催化生理反應(yīng)的功能被蛋白質(zhì)所取代。

DNA與RNA相似的結(jié)構(gòu)，以及能形成雜交雙鏈的性質(zhì)，可能是DNA取代RNA成為大多數(shù)生物遺傳信息的關(guān)鍵。2012年Geoffrey S Diemer和Kennech M Stedman通過(guò)生物信息學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)一種單鏈DNA病毒的衣殼蛋白基因與一些單鏈RNA病毒中的非常相似。這種現(xiàn)象可能是病毒間RNA-DNA重組的結(jié)果，而這種重組機(jī)制可能是RNA向DNA轉(zhuǎn)變的結(jié)果。2018年Angad P. Metha等人構(gòu)建并表征了一種含有DNA-RNA雜交基因組的大腸桿菌菌株，其基因組中含有約40-50%的核糖核酸成分。這種大腸桿菌的存活說(shuō)明DNA-RNA雜交鏈并不致死，并可能在早期世界存在過(guò)。[5]

蛋白質(zhì)存在于RNA世界的有力證據(jù)是核糖體的催化中心是一個(gè)核酶，這些說(shuō)明蛋白質(zhì)的編碼也是在RNA世界產(chǎn)生的。2000年Luis Delaye和Antonio Lazcano發(fā)現(xiàn)基因組中涉及到與RNA相互作用的蛋白結(jié)構(gòu)域都高度保守，這說(shuō)明這種相互作用可能存在與生命早期，用以穩(wěn)定RNA的結(jié)構(gòu)。2018年Celia Blanco等人對(duì)非蛋白適配體復(fù)合物進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)模擬以確定對(duì)RNA世界重要的氨基酸種類，發(fā)現(xiàn)帶正電荷和芳香類氨基酸的作用更強(qiáng)，其結(jié)合焓主要由靜電力決定, 正電氨基酸更容易與RNA結(jié)合。2022年。Carell等人發(fā)現(xiàn)，一些非常規(guī)RNA中可能可以通過(guò)早期地球上的簡(jiǎn)單分子合成的，而RNA堿基可以與氨基酸合，從而提高氨基酸連接在一起成肽的可能性。同時(shí)，當(dāng)非常規(guī)RNA堿基和互補(bǔ)RNA鏈結(jié)合在一起時(shí)，它們最初共享的氨基酸會(huì)加強(qiáng)兩條RNA鏈的結(jié)合。這表明肽和RNA的形成可能是協(xié)同作用的：RNA可能有助于形成肽，肽可能有助于穩(wěn)定和形成更長(zhǎng)的RNA。[5][6]

1.3 對(duì)“the RNA world”假說(shuō) 的質(zhì)疑

從50年前“the RNA world”假說(shuō)提出以來(lái)，對(duì)其的研究和爭(zhēng)論一直沒(méi)有間斷，紐約大學(xué)的化學(xué)家夏皮羅曾說(shuō)：“根據(jù)化學(xué)運(yùn)作原理，要形成這樣一種分子絕不可能。在這個(gè)領(lǐng)域里，這是不可能的事。要接受這個(gè)觀點(diǎn)，除非你相信我們有難以置信的幸運(yùn)。此外美國(guó)宇航局在1996年的一份報(bào)告中明確指出，圍繞RNA世界概念的“重大困難”包括RNA的化學(xué)脆弱性及其狹窄的催化活性范圍。生物化學(xué)家哈羅德·伯恩哈特也有同樣的擔(dān)憂，在2012年的一篇生物學(xué)論文中，他將這一概念稱為“生命早期進(jìn)化的最糟糕的理論”，其指出，RNA分子的復(fù)雜性意味著它不可能是益生元產(chǎn)生的;RNA是不穩(wěn)定的，并且具有有限的催化性質(zhì)。此外，2017年Jesse V. Gacette等人則向“RNA世界”假說(shuō)提出了挑戰(zhàn)，他們檢測(cè)顯示異源RNA-DNA雙鏈嵌合體的穩(wěn)定性顯著降低，阻礙堿基正常的相互作用及功能發(fā)揮。這說(shuō)明從一個(gè)同源RNA系統(tǒng)向RNA/DNA系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的困難，因此這可能意味著RNA與DNA分子是同時(shí)形成、存在、演化的。[5][7]

2思考

??縱觀對(duì)生命起源問(wèn)題的探究歷程，從最初的原始湯理論到“the RNA world”假說(shuō)，可以發(fā)現(xiàn)，大多的研究都是基于現(xiàn)今發(fā)生的生命現(xiàn)象提出相應(yīng)假說(shuō)，并在實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)推斷假說(shuō)的合理性，通過(guò)對(duì)如今各生命現(xiàn)象的不斷研究發(fā)現(xiàn)新型證據(jù)的陸續(xù)填充來(lái)不斷修正原有假說(shuō)，但正應(yīng)如此，絕大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)往往只能在實(shí)驗(yàn)室條件進(jìn)行，而又由于對(duì)早期地球環(huán)境知之甚少以及技術(shù)條件的限制，實(shí)驗(yàn)室無(wú)法完全早期地球環(huán)境復(fù)雜混亂的環(huán)境，只能多增添幾個(gè)變量，但是變量的增多又會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)分析難度成幾何倍的增加。對(duì)于生命起源的研究目前正是以這種步履蹣跚的形式不斷向前。

那么我們是否可以在自然環(huán)境或者近自然條件下進(jìn)行簡(jiǎn)單的定性實(shí)驗(yàn)來(lái)代替實(shí)驗(yàn)室模擬？或者通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等AI技術(shù)的不斷突破與加入，進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬來(lái)幫助我們研究生命起源？

參考文獻(xiàn)：

[1]?https://www.sciencealert.com/rna-world-hypothesis

[2]?https://zhuanlan.zhihu.com/p/521289562

[3]?Gilbert W . Origin of life: the RNA world[J]. Nature, 1986,319(6055):618-618.

[4]?Strobel, S. Repopulating the RNA world. Nature 411, 1003–1005 (2001). https://doi.org/10.1038/35082661

[5]?https://zhuanlan.zhihu.com/p/67476500

[6]?Müller, F., Escobar, L., Xu, F. et al. A prebiotically plausible scenario of an RNA–peptide world. Nature 605, 279–284 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04676-3

[7]?Bernhardt HS. The RNA world hypothesis: the worst theory of the early evolution of life (except for all the others)(a). Biol Direct. 2012 Jul 13;7:23. doi: 10.1186/1745-6150-7-23. PMID: 22793875; PMCID: PMC3495036.

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