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主要内容

RNA世界

自我复制的RNA

RNA世界假说表明,地球上的生命始于一个可以自我复制的简单RNA分子。
RNA世界假说表明,地球上的生命始于一个简单的RNA分子。这种分子可以在没有其他分子帮助的情况下自我复制。
DNA、RNA和蛋白质是地球上生命的核心。脱氧核糖核酸存储建造生物——从细菌到大黄蜂——的指令。蛋白质驱动维持细胞活力和健康所需的化学反应。直到最近,RNA还被认为是DNA和蛋白质之间的信使,作为信使RNA(mRNA)携带着来构建蛋白质的指令。然而,RNA可以做更多的工作。它可以像蛋白质一样驱动化学反应,并向DNA异样携带遗传信息。由于RNA可以同时完成这两项工作,大多数科学家认为,正如我们所知到的生命始于没有一个DNA和蛋白质的RNA世界。

最早的RNA

那么RNA是如何在地球上进化的呢?科学家认为RNA的构建基块(核苷酸)在早期地球上出现的分子混乱汤中。这些核苷酸粘合在一起,产生第一个RNA。它们往往刚形成便分解;然而,新的RNA马上会形成。一些RNA结果比其他的更稳定。这些RNA链长得更长,粘结核苷酸更快。最终,RNA链生长的速度比它们分解的速度要快。这是RNA开始形成生命的机会。

RNA后代

所有生物都繁殖。他们复制他们的遗传信息,并传递给他们的后代。而RNA要形成生命,它们也需要繁殖。这就是为什么科学家认为当一个可以复制自己的RNA出现时,RNA世界才开始。像它一样,出现了更多的新的自我复制RNA。有些比其他更善于自我复制。RNA相互竞争,最成功的获胜。数百万年来,这些RNA成倍繁殖并进化成一系列RNA机器。在某个阶段,DNA和蛋白质进化而来。蛋白质开始驱动细胞中的化学反应,而DNA——比RNA更稳定——承担了存储遗传信息的工作。

核苷酸制造RNA

第一批RNA很可能是用在分子的原始汤中自由漂浮的核苷酸形成的。
维持足够的RNA构建基块(核苷酸)是RNA世界中的重中之重。科学家认为,在早期地球上进化出能构建核苷酸的RNA,为建造新的RNA提供核苷酸。

供应RNA世界

根据RNA世界理论,第一个RNA是由分子原始汤中自由漂浮的核苷酸制成的。它们粘在一起形成不是很稳定且会迅速被降解的RNA链。但有些比其他更稳定;这些RNA变长,粘结核苷酸更快。最终,RNA链生长的速度比它们分解的速度要快——这就是最初的RNA。数百万年来,这些RNA成倍繁殖并进化成一系列RNA机器,成为我们今天所知的生命基础。但对于RNA分子来说,它们需要大量的核苷酸。科学家认为核苷酸制造RNA进化出现以提供这些RNA构建基块。

试管中的进化

试图在试管中重建早期地球条件的科学家已经成功地进化出一些RNA机器。这些机器可以驱动化学反应,形成核苷酸的某些部分。这证明RNA能驱动核苷酸构建化学反应。但是研究人员还没有创造出一种可以使用原始地球上已有的成分来制造整个核苷酸的RNA机器。

“抓取者”RNA

核糖体——细胞的蛋白质组装机。
在RNA世界中,科学家认为简单的RNA可以抓住其他RNA或分子,形成可能改变或增强其功能的复合物。这是走向更复杂生命的一步。
核糖体是细胞的蛋白质组装机,由核糖体RNA(rRNA)和蛋白质制成。但是核糖体中的rRNA早在核糖体蛋白之前进化。回到RNA世界的时候,一个RNA可能抓住另一个RNA,创造出一种可以——有史以来第一次——将氨基酸连接在一起形成蛋白质的RNA机器。至此,第一版的核糖体出现。
细菌中的一些信使RNA(mRNA)和一些植物包含一段称为核糖开关的编码,其可以抓住特定的分子。与这个分子的结合控制mRNA是否被翻译成蛋白质。该分子可以是一种与mRNA核糖开关结合的营养物质,并其触发mRNA的翻译,以产生一种蛋白质来分解这种营养物质。因此,含有核糖核酸的mRNA可以调节自身,以响应特定分子的出现。以前人们认为只有蛋白质能调节来自mRNA的蛋白质的产生;然而,核糖开关的暗示一种在蛋白质存在之前很久就存在于RNA世界中的调节系统。

蛋白质导向RNA

SRP与从核糖体中产生的黄色蛋白质信号结合。(图片由珍妮特·伊瓦萨提供)
我们的细胞包含一个由RNA和蛋白质组成的蛋白质导向机,将新制造的蛋白质发送到细胞中需要的地方。这台机器称为信号识别粒子(SRP)。
SRP查找从细胞的蛋白质组装机(核糖体)中制造的蛋白质。当它发现一种蛋白质从核糖体中探出时,它与它结合。核糖体停止生产该蛋白质,而SRP将核糖体及部分完成的蛋白质带到细胞需要的地方。抵达后,SRP被释放,蛋白质合成再次启动。
SRP中的RNA存在于所有生物中,这表明它在非常早期的生命形式中进化。当蛋白质首次在地球上出现时,这种蛋白质导向RNA的早期版本可能有助于组织细胞中的蛋白质。它可以通过引导蛋白质形成细胞骨架来增强原始细胞。细胞骨架帮助细胞保持其形状,就像一个高速公路系统,用于在细胞周围传输分子。

基因操纵RNA

剪接体从一串mRNA(由冷泉港实验室,DNA学习中心提供)剪掉三个不需要的mRNA部分(以绿色显示)。
一个信使RNA(mRNA)可以以不同的方式混合,以便其遗传代码可以翻译成许多不同的蛋白质。从一个mRNA中制造一种以上蛋白质的能力加速了多细胞生命的进化。
新制造的mRNA由一种叫做剪接体的分子机器拼接,其类似于细胞的剪刀和胶水。这台机器由RNA和蛋白质制成,切出不需要的mRNA代码部分,并将剩余的mRNA再次粘在一起,创造出可以翻译成蛋白质的成熟RNA。

一个基因-->一大堆蛋白质

早在20世纪70年代,科学家认为一个基因编码一个mRNA,而后者又只编码了一种蛋白质。细菌和其他单细胞生命的确是如此;然而,对于多细胞生命,有一个基因编码出一个mRNA可以以不同的方式拼接,以创建许多不同的蛋白质。这称为选择性剪接。
替代拼接是一种巧妙的方法,可以从相对较少的基因中创建各种蛋白质。人类基因组计划发现的一个惊喜是人类基因组含有很少的编码基因。科学家曾预测人类有大约10万个基因,但实际上这个数字接近与20000。这些基因以不同的方式被剪接,以产生大量的人类蛋白质。

加速进化

在多细胞生命形式中选择性剪接的到来可能加速了进化。这意味着一个有机体可以产生新的蛋白质,而无需经历进化新基因的漫长过程。机会突变会导致现有的mRNA以不同的方式拼接。这些交替拼接的mRNA编码出全新的蛋白质,可能驱动全新的细胞过程,推动复杂生命的进化。

细胞生长导向RNA

果蝇卵中染成蓝色的Bicoid RNA*(果蝇中的控制头胸发育的一个关键母体基因)。BicoidRNA被发现于卵将发育成果蝇头部的一端。(图片由纽约大学斯蒂芬·斯莫尔提供)
RNA机器可能是从单细胞到多细胞生命形式的进化飞跃的核心。
多细胞生命从单个受精卵开始。这个细胞分裂两个细胞,它们再分裂成四个...等等。很快,这个发育中的生命的细胞开始执行不同的工作。在植物中,它们可能成为叶细胞或根细胞。在动物中,它们可能成为血细胞或神经细胞。人类大约有200种不同类型的细胞。在人类胚胎的合适时间,每个细胞都必须在合适的胚胎发育时间和正确的地点进行。细胞的产生是由细胞中的分子机器(RNA和蛋白质)决定的。细胞中的RNA和蛋白质是由开关基因的转录因子决定的。

分辨头和尾

通过研究胚胎在生物体中如何发育,我们获得关于那些可以推动向多细胞生命的进化飞跃的分子机器的线索。发育生物学家最喜欢的生物是果蝇。果蝇发育中的一种重要RNA称为Bicoid。它在规划发育中的果蝇身体中起着至关重要的作用。在未受精的果蝇卵中,Bicoid RNA被发现在卵子将成为果蝇的头部的一端。一旦卵子受精,Bicoid mRNA被翻译成蛋白质。Bicoid蛋白质打开制造头的蛋白质的基因,并关闭制造尾部蛋白质的基因。因此,Bicoid可以告诉果蝇胚胎究竟在哪里形成头部。

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