专访蒋丽英:探索早期生命的奥秘

【字体: 时间:2012年12月17日 来源:生物通

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  在“生命”这个词语上确实笼罩着一层瑰丽的光圈,无论是关于它如何起源的,还是如何行使功能的等等各种问题,都令科学家们神迷醉往,近期来自国外的一个研究团队在地球上最原始的生物蓝藻细菌中发现了一种小分子物质:AEG(N-(2-aminoethyl)glycine,N-(2-羟乙基)甘氨酸),并指出这种小分子很可能就是在RNA出现之前的生命遗传物质。

  

生命这个词语上确实笼罩着一层瑰丽的光圈,无论是关于它如何起源的,还是如何行使功能的等等各种问题,都令科学家们神迷醉往,近期来自国外的一个研究团队在地球上最原始的生物蓝藻细菌中发现了一种小分子物质:AEGN-(2-aminoethyl)glycineN-(2-羟乙基)甘氨酸),并指出这种小分子很可能就是在RNA出现之前的生命遗传物质。

领导这一研究的是美国怀俄明州民族医药研究所Paul Alan Cox博士,参与这项研究的还有来自斯德哥尔摩大学的华裔学者蒋丽英(Liying Jiang)博士。就此重要的研究进展,生物通特联系了博士,请教了她一些问题,希望能更深入的解析了这一研究成果。

RNA出现之前 谁做主?

一直以来科学界都认为,在DNA作为地球主要遗传物质材料出现之前,早期的生命形式是采用RNA完成遗传信息的编码,那么在RNA之前呢,在这种核糖核酸出现之前,生命又是依赖什么样的遗传分子?

对此这一研究组也许给出了一个答案:虽然AEG本身不能实现遗传信息的传递,但是PNA可以,PNAAEG通过肽键形成多聚体作为骨架,再通过亚甲羰基和碱基结合,从而达到传递遗传信息的目的。

博士表示,关于生命最早出现的遗传物质是科学界几大未揭示的问题之一,一直以来都吸引着无数的科学家为之奋斗。目前比较盛行的理论是RNA要早于DNA以遗传物质出现。但是由于RNA的不稳定性,很难在生命起源前,早期地球的环境中产生。

因此科学家又提出可能存在比RNA更早的遗传物质,肽核酸PNA就是其中之一。而AEG的多聚体正是组成PNA的骨架。

蓝绿藻是地球上最早出现的生物之一,起源于大约35亿年前,被认为是利用其光合作用将还原性地球原始大气转化产生氧气的主要物质。

我们的研究首次证实了蓝绿藻能产生AEG, 构成PNA骨架的基本单位之一。

AEG如何行使功能?

那么这种小分子又是如何执行遗传功能的呢?对此博士解释道,“AEG本身不能实现遗传信息的传递,但是PNA可能,PNAAEG通过肽键形成多聚体作为骨架,再通过亚甲羰基和碱基结合,从而达到传递遗传信息的目的。PNA没有带电的磷酸基团,可与DNA紧密结合构成双链,并且PNA热稳定性好。

这项研究首先是由来自民族医药研究所的研究人员,对法国巴斯德研究所收藏的原始蓝藻细菌进行了分析,其后又收集了来自美国关岛、日本、卡塔尔以及蒙古戈壁沙漠中的蓝藻细菌样本,进行深入探索,发现这些蓝藻中能产生一种小分子物质:AEG。当AEG连接成链时可为肽核酸(peptide nucleic acids)构建一个骨架,而肽核酸被假定为生命的第一个遗传分子。制药业一直将合成AEG作为可能的基因沉默因子开展研究,用以阻止或减缓某些遗传性疾病。到现在为止,此一理论的唯一问题是,一直无法在自然界中发现AEG

这个研究组获得这一发现,其实有一段有趣的故事,博士说,发现蓝绿藻能产生AEG是一个偶然。我们的主要研究是另一个化合物,BMAAβ-N-methylamino-L-alanine),这是一种和ParkinsonALS等神经性疾病有关的二级氨基酸。它也产生于蓝绿藻,由于蓝绿藻在食物链中处于最底端,是很多生物特别是海洋生物的食物来源,所以BMAA可以通过食物链传递并富集,最终进入人体,增加人类患神经性疾病的风险(参考文献1)。而AEGBMAA的同分异构体之一,我们为了可靠的鉴定BMAA在蓝绿藻的存在和含量,在方法中引入了AEG以及另外两个BMAA的同分异构体(参考文献2)。结果意外发现蓝绿藻能产生AEG。我们一些未发表的数据表明AEG也存在于另一些高等生物中。

特殊的技术

这项研究对来自世界多处的蓝藻细菌样本进行了分析,主要的分析手段又是哪些呢?对此博士表示,我们主要的分析手段是液相色谱质谱联用技术,这是一种具有高效高灵敏度,能在复杂生物样品中检测微量化合物的分析化学技术。

目前虽然这一结果是肯定的,但其中这对于生命早期遗传物质具有何种重要意义,还不清楚,而且这种蓝藻细菌所产生的AEG是否代表着地球最早期的生命遗传物质的出现,还有待进一步的深入探索。

博士说,要想进一步确定PNA是生命早期的遗传物质,现有的实验结果还远远不够。目前还没有任何研究发现PNA存在于自然界中。但是从研究构成PNA的组成单元开始是一个有意义的探索,也是我们正在进行的课题之一。


参考文献
1. Banack SA, Cox PA (2003) Biomagnification of cycad neurotoxins in flying foxes. Neurology 61:387
2. Jiang L, Aigret B, De Borggraeve WM, Spacil Z, Ilag LL (2012) Selective LC-MS/MS method for the identification of BMAA from its isomers in biological samples Anal Bioanal Chem 403:1719

原文摘要:
Cyanobacteria Produce N-(2-Aminoethyl)Glycine, a Backbone for Peptide Nucleic Acids Which May Have Been the First Genetic Molecules for Life on Earth

Prior to the evolution of DNA-based organisms on earth over 3.5 billion years ago it is hypothesized that RNA was the primary genetic molecule. Before RNA-based organisms arose, peptide nucleic acids may have been used to transmit genetic information by the earliest forms of life on earth. We discovered that cyanobacteria produce N-(2-aminoethyl)glycine (AEG), a backbone for peptide nucleic acids. We detected AEG in axenic strains of cyanobacteria with an average concentration of 1 µg/g. We also detected AEG in environmental samples of cyanobacteria as both a free or weakly bound molecule and a tightly bound form released by acid hydrolysis, at concentrations ranging from not detected to 34 µg/g. The production of AEG by diverse taxa of cyanobacteria suggests that AEG may be a primitive feature which arose early in the evolution of life on earth.

作者简介:

Liying Jiang, PhD Student 

Department of Analytical Chemistry, Stockholm University 

 

Telefax: ++46-8-15 63 91

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