對(duì)RNA世界假說(shuō)產(chǎn)生重要影響的研究

對(duì)RNA世界假說(shuō)產(chǎn)生重要影響的研究

2016年08月21日訊 在PNAS發(fā)表的一篇論文中，來(lái)自斯克里普斯研究所的科學(xué)家，利用體外進(jìn)化，制備了一種改進(jìn)的聚合酶核酶，能合成多種功能性的、結(jié)構(gòu)化的RNA，并擴(kuò)增短的RNA模板。

RNA自我復(fù)制的RNA世界假說(shuō)的一個(gè)重要組成部分，但是，在實(shí)驗(yàn)室里生成能夠合成、復(fù)制、擴(kuò)增具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的功能性RNA分子的核酶，已被證明是很困難的。直到現(xiàn)在，I類RNA聚合酶核酶最成功的變種，即使對(duì)它們偏愛(ài)的模板--具有高濃度嘧啶的短的、簡(jiǎn)單的RNA序列--也能起有效作用。

伊利諾伊大學(xué)香檳分校的Scott Silverman沒(méi)有參與這項(xiàng)研究，但是他說(shuō)：“這項(xiàng)研究擴(kuò)展了RNA進(jìn)行RNA聚合的能力，這在以前是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)過(guò)的。這絕對(duì)是理解‘RNA聚合酶能做些什么’領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵進(jìn)步，對(duì)于RNA世界理論有相當(dāng)重要的影響?！?/p>

研究的合作者、斯克里普斯研究所的Gerald Joyce和David Horning開(kāi)始于I類RNA聚合酶核酶的一個(gè)變體。他們?cè)谄湔麄€(gè)序列中引入隨機(jī)突變，以產(chǎn)生100兆個(gè)變種。然后，Joyce和Horning通過(guò)促使核酶完成RNA適配體--與一種合成維生素B12或GTP結(jié)合的分子，向這個(gè)群體施加壓力。每一輪，研究人員都會(huì)選擇的核酶，能夠生產(chǎn)功能性的產(chǎn)品、正確長(zhǎng)度的產(chǎn)品、或兩者兼有。

研究人員通過(guò)要求核酶在較短時(shí)間內(nèi)合成更長(zhǎng)的RNA分子，增加了連續(xù)世代的選擇嚴(yán)格性。在第二十四輪，該群體可以合成富含嘌呤的、功能性的RNA序列。

從這個(gè)群體中，Horning和Joyce分離出了核酶的一個(gè)變型，稱為24-3，它有17個(gè)突變。24-3聚合酶使用所有四個(gè)堿基，能比起始聚合酶更快的發(fā)揮作用。它能夠復(fù)制多種具有復(fù)雜二級(jí)結(jié)構(gòu)的功能性RNA，包括適體、其他核酶和酵母轉(zhuǎn)移RNA（tRNA）。研究人員發(fā)現(xiàn)，在只有RNA的PCR版本中，24-3也能以系數(shù)方式擴(kuò)增短的RNA模板。

英國(guó)MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Philipp Holliger，沒(méi)有參加這項(xiàng)工作，在給The Scientist寫(xiě)的一封電子郵件中他寫(xiě)道：“這真的是一項(xiàng)完美的工作，也是向‘實(shí)現(xiàn)RNA自我復(fù)制’邁出的重要一步?！?/p>

密蘇里大學(xué)的Donald Burke-Agüero也沒(méi)有參與這項(xiàng)研究，他說(shuō)：“Horning和Joyce的這項(xiàng)工作，是邁出的精彩一步。它使我們更接近于有一個(gè)RNA復(fù)制系統(tǒng)，可以維持RNA的復(fù)制?！?/p>

然而，24-3聚合酶核酶不能復(fù)制自身。雖然與早期聚合酶核酶合成的產(chǎn)物相比，酵母tRNA是高度結(jié)構(gòu)化的和比較大的，但是24-3核酶比酵母tRNA大三倍，并包含更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)要素。

Joyce、Horning和他的同事們正在進(jìn)行體外進(jìn)化實(shí)驗(yàn)，來(lái)克服這一局限性。研究人員說(shuō)，嚴(yán)格的選擇標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)促使核酶更有效地生產(chǎn)更大的、更復(fù)雜的功能性產(chǎn)品，然而目前還不清楚要多少試管世代，才能實(shí)現(xiàn)這一切。

同時(shí)，Joyce指出了“研究一種自我復(fù)制核酶”在進(jìn)化生物學(xué)研究中的應(yīng)用。Joyce說(shuō)：“如果你有一種RNA酶是RNA復(fù)制酶，可以以系數(shù)方式復(fù)制RNA，包括自身的副本，然后我會(huì)說(shuō)它是活的。那么，它是由進(jìn)化決定的?！?/p>

怎樣認(rèn)識(shí)DNA RNA 和 蛋白質(zhì) 的共線性關(guān)系？

是生物特有的重要的大分子化合物，廣泛存在于各類生物細(xì)胞中，“種瓜得瓜，種豆得豆”的遺傳現(xiàn)象即源于核酸上所攜帶的遺傳信息。核酸的組成單位——核苷酸（nucleotides）還是生物體各種生物化學(xué)成分代謝轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量“貨幣”（如ATP），而具有傳遞激素及其他細(xì)胞外刺激的化學(xué)信號(hào)能力的環(huán)化核苷酸（如cAMP），被譽(yù)為生物體的第二信使，并且核苷酸還是一系列酶的輔助因子和代謝中間體。因此，核酸及其組成單位在生物的個(gè)體發(fā)育、生長(zhǎng)、繁殖、遺傳和變異等生命過(guò)程中起著重要的作用。1953年，Watson和Crick建立了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，被認(rèn)為是20世紀(jì)在自然科學(xué)中的重大突破之一。它揭開(kāi)了分子生物學(xué)研究的序幕，尤其是DNA重組技術(shù)及DNA測(cè)序技術(shù)的出現(xiàn)，使生命科學(xué)成為自然科學(xué)中最為引人注目的領(lǐng)域。核酸的研究成果啟動(dòng)了分子生物學(xué)的突破性的進(jìn)程，從此生命現(xiàn)象和生命過(guò)程的研究開(kāi)始全面進(jìn)入分子水平。

通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，了解核酸的基礎(chǔ)知識(shí)，包括核酸的種類，在細(xì)胞內(nèi)的分布及其生物學(xué)功能；核酸的化學(xué)組成、分子結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)，為以后進(jìn)一步學(xué)習(xí)核酸的代謝、基因表達(dá)調(diào)控及分子生物學(xué)技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

核酸研究已有一百多年歷史。早在1868年，瑞土的一位年輕科學(xué)家F．Miescher（1844~1895年）從外科繃帶上膿細(xì)胞的細(xì)胞核中分離出了一種有機(jī)物質(zhì)，它的含磷量之高超過(guò)任何當(dāng)時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的有機(jī)化合物，并且有很強(qiáng)的酸性。由于這種物質(zhì)是從細(xì)胞核分離出來(lái)的，當(dāng)時(shí)就稱它為核素（nuclein）。Miescher所分離到的核素就是我們今天所指的脫氧核糖核蛋白。直到1889年，才有人成功地分離得到不含蛋白質(zhì)的這種新物質(zhì)，因?yàn)槭菑募?xì)胞核中分離出來(lái)的酸性物質(zhì)，所以叫核酸。后來(lái)研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)、線粒體、葉綠體、無(wú)核結(jié)構(gòu)的細(xì)菌和沒(méi)有細(xì)胞結(jié)構(gòu)的病毒都含有核酸，但“核酸”這一名稱仍然保留而沿用至今。

核酸的生物學(xué)作用是在發(fā)現(xiàn)核酸以后50多年才被證明的。1944年，由艾弗里（O. T. Avery）等人的著名的肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗(yàn)（圖3-1）問(wèn)世后，核酸是主要遺傳物質(zhì)的地位才被確立。Avery等的實(shí)驗(yàn)是為了尋找導(dǎo)致細(xì)菌轉(zhuǎn)化的原因，他從光滑型肺炎雙球菌（S型，有莢膜，菌落光滑）分別提取DNA、蛋白質(zhì)及多糖物質(zhì)，并分別與粗糙型的肺炎雙球菌（R型，無(wú)莢膜，菌落粗糙）一起培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)只有DNA能使一部分粗糙型細(xì)菌轉(zhuǎn)變成為光滑型，并能繼續(xù)繁殖，且轉(zhuǎn)化率與DNA純度呈正相關(guān)，若將DNA預(yù)先用DNA酶降解，轉(zhuǎn)化就不發(fā)生。這種從一個(gè)供體菌得到的DNA通過(guò)一定途徑給另一種細(xì)菌，從而使后者（受體菌）的遺傳特性發(fā)生改變的作用稱轉(zhuǎn)化作用（transformation）。轉(zhuǎn)化作用的實(shí)質(zhì)是外源DNA與受體細(xì)胞基因組間的重組，使受體細(xì)胞獲得新的遺傳信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，是S型菌的DNA將其遺傳特性傳給了R型菌，DNA就是遺傳物質(zhì)，是遺傳信息的載體，而不是蛋白質(zhì)。此后，人們對(duì)遺傳物質(zhì)的注意力逐漸從蛋白質(zhì)移到核酸上。

1952年，郝?tīng)栃ˋ. D. Hershey）等人用同位素標(biāo)記法研究T2噬菌體的感染作用，既用同位素32P標(biāo)記噬菌體的DNA，35S標(biāo)記蛋白質(zhì)，然后感染大腸桿菌。結(jié)果只有32P-DNA進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，35S-蛋白質(zhì)仍留在細(xì)胞外，從而進(jìn)一步肯定了DNA的遺傳作用。

這些重要的早期實(shí)驗(yàn)和許多其他證據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)確無(wú)誤地說(shuō)明DNA是活細(xì)胞中唯一攜帶全部遺傳信息的載體，而不是蛋白質(zhì)。

1950年以后，Chargaff，Markham等提出了A-T、G-C之間互補(bǔ)的概念。這一極其重要的發(fā)現(xiàn)，為以后Watson-Crick建立DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型提供了重要依據(jù)。

1953年DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的提出，被認(rèn)為是本世紀(jì)在自然科學(xué)中的重大突破之一。分子生物學(xué)所取得的突飛猛進(jìn)的發(fā)展與DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的建立是分不開(kāi)的。

20世紀(jì)70年代DNA重組技術(shù)的出現(xiàn)，被認(rèn)為是分子生物學(xué)的第二次革命。人們終于可以按照擬定的藍(lán)圖設(shè)計(jì)出新的生物體。它改變了分子生物學(xué)的面貌，并導(dǎo)致一個(gè)新的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)群的興起。

DNA重組技術(shù)的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了DNA和RNA的研究。其三大關(guān)鍵技術(shù)即DNA切割技術(shù)、分子克隆技術(shù)和快速測(cè)序的不斷成熟，使人們可以通過(guò)DNA操作改造生物機(jī)體的性狀特征、改造基因、以至改造物種。DNA研究帶動(dòng)RNA研究在理論上或技術(shù)上高潮迭起，許多傳統(tǒng)觀點(diǎn)被打破，核酸研究成為最活躍的研究領(lǐng)域之一。

真核DNA決大部分存在于細(xì)胞核中，而蛋白質(zhì)合成則發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的核糖體上。因此，必定有另一類分子把遺傳信息從核內(nèi)帶到細(xì)胞質(zhì)中以指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，在20世紀(jì)50年代初期，RNA被估計(jì)為執(zhí)行這種功能的最合適的侯選分子。80年代RNA研究出現(xiàn)了第二個(gè)高潮，取得了一系列生命科學(xué)研究領(lǐng)域最富挑戰(zhàn)性的成果。1981年T．Cech發(fā)現(xiàn)四膜蟲(chóng)rRNA前體能夠通過(guò)自我拼接切除內(nèi)含子，表明RNA也具有催化功能，稱為核酶（ribozyme）。這是對(duì)“酶一定是蛋白質(zhì)”的傳統(tǒng)觀點(diǎn)一次大的沖擊。1983年R．Simons等以及T．Mizuno等分別發(fā)現(xiàn)反義RNA（antisense RNA），表明RNA還具有調(diào)節(jié)功能。1986年R．Benne等發(fā)現(xiàn)錐蟲(chóng)線粒體mRNA的序列可以發(fā)生改變，稱為編輯（editing），于是基因與其產(chǎn)物蛋白質(zhì)的共線性關(guān)系也被打破。1986年W．Gilbert提出“RNA世界”的假說(shuō)，這對(duì)“DNA中心”的觀點(diǎn)是一次有力的沖擊。1987年R．Weiss論述了核糖體移碼，說(shuō)明遺傳信息的解碼也是可以改變的。

1990年10月美國(guó)政府決定出資30億美元，用15年時(shí)間（1991—2005年）完成“人類基因組計(jì)劃”?！叭祟惢蚪M計(jì)劃”是生物學(xué)有史以來(lái)最巨大和意義深遠(yuǎn)的一項(xiàng)科學(xué)工程。完成人類基因組DNA全序列測(cè)定的意義是十分明顯的，人類對(duì)自己遺傳信息的認(rèn)識(shí)將有益于人類健康、醫(yī)療、制藥、人口、環(huán)境等諸多方面，并且對(duì)生命科學(xué)也將有極大貢獻(xiàn)。由于技術(shù)上的突破，計(jì)劃進(jìn)度一再提前，全序列的測(cè)定現(xiàn)已基本完成。一些低等生物的DNA全序列也已陸續(xù)被測(cè)定。生命科學(xué)已經(jīng)進(jìn)入了后基因組時(shí)代（post-genome era）。

在后基因組時(shí)代，科學(xué)家們的研究重心已從揭示基因組DNA的序列轉(zhuǎn)移到在整體水平上對(duì)基因組功能的研究。這種轉(zhuǎn)向的第一個(gè)標(biāo)志就是產(chǎn)生了一門稱為功能基因組學(xué)（functional genomics）的新學(xué)科。

隨著自然科學(xué)的發(fā)展，核酸的研究越來(lái)越成為生物科學(xué)的核心，帶動(dòng)了生物化學(xué)、分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)乃至整個(gè)生命科學(xué)研究的發(fā)展。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的核酸操作技術(shù)正在逐步地打開(kāi)控制不同生物性狀的生命之迷，同時(shí)，核酸的研究也使生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)獲得了空前規(guī)模的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，信息技術(shù)對(duì)世界經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)比率達(dá)到18％，而生物技術(shù)對(duì)世界經(jīng)濟(jì)的推動(dòng)作用將不亞于信息技術(shù)。

RNA世界假說(shuō)的科學(xué)家質(zhì)疑

大多數(shù)科學(xué)家同意，在生命的萌芽階段，RNA（核糖核酸，其結(jié)構(gòu)和基本順序是蛋白質(zhì)的合成及遺傳信息的決定因素）是決定生命的首個(gè)分子。根據(jù)“RNA世界”的假說(shuō)， RNA是生命初期最關(guān)鍵的分子，后來(lái)當(dāng)DNA（脫氧核糖核酸，是細(xì)胞中帶有基因信息的核酸）和蛋白質(zhì)的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)最初RNA的作用時(shí)，它才退到了次要地位。
迪默說(shuō)：“在我的領(lǐng)域中，很多最聰明最有才華的人都相信，“RNA世界” 不僅僅是假設(shè)，而是極有可能的事?！?br>RNA和DNA非常相似，每一個(gè)細(xì)胞里的RNA都發(fā)揮著諸多重要的作用，包括在DNA和蛋白質(zhì)合成之間起到轉(zhuǎn)移作用（轉(zhuǎn)移rna），以及具有開(kāi)啟或閉某些基因的功能。
但是，“RNA世界”假說(shuō)無(wú)法解釋rna又是怎么產(chǎn)生的 。像DNA一樣，RNA也是由數(shù)千個(gè)被稱為核苷酸的更小分子構(gòu)成的，這些核苷酸之間以非常特定的模式連接在一起。盡管有些科學(xué)家認(rèn)為RNA可能自然產(chǎn)生于早期的地球上，而另一些科學(xué)家卻認(rèn)為發(fā)生這種事情的可能性猶如天方夜譚。
紐約大學(xué)的化學(xué)家羅伯特·夏皮羅說(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)。”

《科學(xué)》新發(fā)現(xiàn)：全球海洋含有超過(guò)5500種新RNA病毒，這意味著什么？

病毒一直以來(lái)都存在于我們的生活當(dāng)中，可以說(shuō)它是無(wú)處不在的，只要我們沒(méi)有達(dá)到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)生，那一定會(huì)被病毒所感染，會(huì)患上某種病讓我們很難受。而RNA病毒就是比較可怕的存在，它是核糖核酸的簡(jiǎn)稱，這種病毒存在于生物細(xì)胞、類病毒中的遺傳信息載體，說(shuō)白了，只要是感染了這種病毒之后，就會(huì)引起人們的流感，而且阿爾na病毒是人類感染多種疾病的重要原因。又有新的一個(gè)發(fā)現(xiàn)，全海洋還有超過(guò)5500種新的RNA病毒，已知病毒門類增加了一倍！
那么問(wèn)題來(lái)了，在海洋當(dāng)中發(fā)現(xiàn)了超過(guò)5500種新RNA病毒意味著什么呢？我們?nèi)祟悓?duì)于RNA病毒的研究還是比較少的這是，通過(guò)科學(xué)家所給出的一個(gè)結(jié)論，但是科學(xué)家們已經(jīng)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)中的數(shù)10萬(wàn)種DNA病毒進(jìn)行了分類，所以也得知了一個(gè)可怕的信息，人類之所以會(huì)感染多種病毒，那就是因?yàn)镽NA所帶來(lái)的影響。這也就意味著病毒是我們生命當(dāng)最大的威脅。千萬(wàn)不要小看一個(gè)小小的病毒，他們能夠?qū)⑽覀兊纳眢w摧殘殆盡，直至我們死亡，最可怕的還是他們能夠在人之間進(jìn)行傳播。
總的來(lái)說(shuō)病毒可能還有更多是我們?nèi)祟惗紱](méi)有所發(fā)現(xiàn)的，此次的新冠疫情就是一個(gè)典型的例子，之前從來(lái)沒(méi)有對(duì)這種病毒有所研究，所以導(dǎo)致他來(lái)的時(shí)候那么的猛烈，我們才會(huì)如此的恐慌，因?yàn)楦緵](méi)有快速能夠?qū)⑦@種病毒殺死的藥物。所以我們?cè)诿鎸?duì)個(gè)人衛(wèi)生的時(shí)候，一定要特別的注意，在這個(gè)疫情如此嚴(yán)重的時(shí)期，出門一定要將口罩給佩戴好，自身的消毒也要做好,千萬(wàn)不要大意，感染了病毒之后可能就后悔莫及了。

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