两篇PNAS挑战生命起源理论

最近，美国北卡罗来那大学（UNC）的两位科学家在《PNAS》发表的两项研究，对“大约40亿年前从构建模块到生命的转换”作出了新的阐述。

　　

生物通报道：最开始的地球，有简单的化学物质。它们产生氨基酸，最终成为构建单细胞所必需的蛋白质。然后，单细胞演化成植物和动物。最近有研究揭示了原始汤（primordial soup）如何产生氨基酸构建模块，并对“从第一个细胞演化为植物和动物”有了广泛的科学共识。但是，这些构建模块如何首先被组装为形成所有细胞机器的蛋白质？这仍然还是一个谜。现在，美国北卡罗来那大学（UNC）的两位科学家——Richard Wolfenden和Charles Carter博士，对“大约40亿年前从构建模块到生命的转换”作出了新的阐述。延伸阅读：Nature解开科学谜题：生命起源的缺失环节。

UNC医学院生物化学和生物物理学教授Carter指出，这两项工作表明，氨基酸的物理性质和遗传代码之间存在紧密连锁，蛋白质折叠可能从一开始就是必不可少的，在很早以前，复杂的分子就已出现。这种密切的相互作用，可能是从构建模块到有机体演化过程中的关键因素。

他们的研究结果以两篇论文的形式发表在最近的《PNAS》杂志，对不确定的“RNA世界”理论（是科学依据多年的研究而提出的一条关于生命科学的理论）提出了挑战，这一理论认为，今天在基因编码、调控和表达中发挥作用的分子——RNA，将自己从氨基酸原始汤和宇宙化学物质中提升出来，首先产生了短的氨基酸（称为肽），再到单细胞生物。

Wolfenden和Carter认为，RNA并不是单独起作用；事实上，比起肽催化RNA的形成，更可能的是RNA催化肽的形成。这些发现为“几十亿年前生命如何演化”的故事，增加了一个新的层面。

它的名字是LUCA
科学界认为，36亿年以前，地球上存在目前所有生物最后的共同祖先（last universal common ancestor, LUCA）。它很可能是一个单细胞生物。它有几百个基因。它已经有完整的DNA复制、蛋白质合成和RNA转录蓝图。它有现代生物所具备的所有基本成分，如脂质。从LUCA开始，探讨生命如何演化是相对容易的。

但是，在36亿年前，关于LUCA如何从大约46亿年前行星产生之后地球上形成的一大团化学物质中出现，仍然没有确凿证据。这些化学物质对形成氨基酸作出反应，氨基酸仍然是今天我们细胞蛋白质的构建模块。

Carter说，关于LUCA我们已经了解很多，并且我们开始知道产生氨基酸这种构建模块的化学过程，但这两者之间的联系知之甚少。我们甚至不知道如何去探索它。UNC研究填补了这一空白。

Carter称，Wolfenden博士确定了二十个氨基酸的物理性质，并发现这些物理性质和遗传代码之间存在一种联系。这种联系告诉我们，还有一种更早些的代码，使得肽-RNA相互作用对于发动一个选择过程来说是必需的，通过这个过程产生了地球上的第一生命。因此，RNA不必将其从原始汤中提升出来。相反，即使在有细胞之前，似乎更可能是：氨基酸和核苷酸之间的相互作用，导致了蛋白质和RNA的共同产生。

Magna ChIP™HiSens Kits表观遗传研究创新工具

来自于简单的复杂性
要发挥正确的功能，蛋白质必须以特定的方式进行折叠。Wolfenden带领的第一篇PNAS论文表明，二十种氨基酸的极性（它们如何分配水和油）和它们的大小，有助于解释蛋白质折叠的复杂过程，此时一段相连的氨基酸链将其自身排列形成特定的三维结构，具有特定的生物学功能。

生物化学和生物物理学教授Wolfenden表示，这些实验表明，氨基酸的极性，会在很宽的温度范围内、以不破坏遗传编码和蛋白质折叠之间基本关系的方式，发生一致的变化。这对生命构建很重要，因为当地球上第一个生命形成时，温度是热的，可能比现在更热，当时已经有了第一种植物和动物。

Wolfenden实验室进行的一系列氨基酸生化实验表明，两个属性——氨基酸的大小以及极性，对于解释“氨基酸在折叠蛋白质中如何表现”是必要和充分的，这些关系也保持在40亿年前地球较高的温度下。

第二篇PNAS论文由Carter带领，深入研究了氨酰基-tRNA合成酶如何识别转移核糖核酸（tRNA）。Carter说，把tRNA当作一个适配器。适配器的一端带有一段特定的氨基酸；另一端可读取信使RNA中的氨基酸遗传蓝图。每种合成酶可使二十个氨基酸中的一个与它自己的适配器相匹配，这样，信使RNA中的基因蓝图可每次都忠实地制造正确的蛋白质。

Carter的分析表明，L形tRNA分子的不同两端，含有独立的代码，或指定选择哪些氨基酸的规则。携带氨基酸的tRNA末端可根据尺寸特异性地分选氨基酸。L形tRNA分子的另一端称为tRNA反密码子。它读取密码子，密码子是遗传信息中的三个RNA核苷酸序列，可根据极性选择氨基酸。

Wolfenden和Carter的这两项研究结果暗示，tRNA和氨基酸物理特性（它们的大小和极性）之间的关系，在地球的原始时代是至关重要的。Carter的前期工作研究了tRNA合成酶（称为Urzymes）非常小的活性核，现在看来，其大小的选择仍然是按照极性。这种有序的选择意味着，最早的蛋白质并不一定折叠成独特的形状，而其独特的结构演化的更晚。

Carter和Wolfenden相信，基因编码的中间阶段可以帮助解决两个悖论：复杂性如何由简单而引起；生命如何分开两种非常不同的聚合物：蛋白质和核酸。

Wolfenden指出，遗传编码发展为两个连续的阶段——第一个阶段相对简单，这一事实可能是“为什么生命能够在地球还很年轻的时候出现”的原因之一。一个更早期的代码——能使最早编码的肽结合RNA，可能具有一个决定性的选择优势。于是，这种原始的系统可以经受自然选择的过程，从而推出一种新的和更多的生物进化形式。

Carter 补充说，RNA和多肽之间的合作，对于复杂性的自发出现可能是必需的。在我们看来，这是一个肽-RNA的世界，而不仅仅是一个RNA的世界。

（生物通：王英）
注：原始汤：科学家认为，地球上的所有生物——从人类到细菌，从蓝铃花到蓝鲸——都源自同一种实体，一种30亿年或40亿年前漂浮在“原始汤”周围的原胞。这种实体是什么样子呢？它又是如何生活，以及生活在哪里呢？科学家正一步步为我们解开这些谜团。1871年，达尔文在一封信里这样写道：“生命最早很可能在一个热的小的池子里面。近30年来，科学家在世界各地的大洋海底相继发现海底热液和“黑烟囱”，包括台湾东北角的龟山岛。1871年，达尔文在一封信里这样写道：“生命最早很可能在一个热的小的池子里面。”后来，这个“热的小池子”被称做“原始汤”。

生物通推荐原文：
Temperature dependence of amino acid hydrophobicities. PNAS 2015 ; published ahead of print June 1, 2015, doi:10.1073/pnas.1507565112

tRNA acceptor stem and anticodon bases form independent codes related to protein folding
PNAS 2015 ; published ahead of print June 1, 2015, doi:10.1073/pnas.1507569112