结构生物化学/RNA 世界假说

RNA 世界假说推测生命起源始于核糖核酸 (RNA)，因为它能够同时作为遗传信息的储存库和酶活性。它提出 RNA 先于目前的遗传物质脱氧核糖核酸 (DNA)，并导致了 DNA → RNA → 蛋白质世界的进化。

有两个学派都支持 RNA 世界假说

1. 根据基因接管假说，地球上早期生命形式以 RNA 作为其唯一的遗传成分。这表明可能存在一个比 RNA 更早的分子，它使用 RNA 或者通过变化创造 RNA 作为副产物。

2. 地球上第一种生命形式以 RNA 作为其唯一的遗传成分。这一理论要求 RNA 来自无机物。 ^[1]

历史

卡尔·沃斯在 1967 年撰写的《遗传密码》一书，是第一个支持 RNA 世界假说的公开出版物^[2]。弗朗西斯·克里克和莱斯利·奥格尔在 1968 年提出了 RNA 曾替代 DNA 和蛋白质工作的观点。他们的理论直到诺贝尔奖获得者托马斯·R·切赫的工作才得到验证。20 世纪 70 年代，切赫正在研究单细胞生物体四膜虫中的 RNA 剪接，当他发现未加工的 RNA 分子可以自我剪接时。他在 1982 年宣布了他的发现，并成为第一个证明 RNA 具有催化功能的人。随后，哈佛大学分子生物学家、诺贝尔奖获得者沃尔特·吉尔伯特在 1986 年评论了近期对 RNA 催化特性的观察时，创造了“RNA 世界假说”这一短语^[3]。另一个重要的里程碑发生在 2000 年，当时《科学》杂志发表了“核糖体是一种核酶”的文章，并指出核糖体中的蛋白质主要存在于边缘。

理论

构成地球的原始汤包含核苷酸等化合物。这些核苷酸自发随机排序，最终形成具有催化特性的 RNA 分子（或类似分子）。RNA 具有自催化自我复制和组装的特性，促使其数量呈指数级增长。如今的科学家认为，在原始生命时代，复制并不完美，因此 RNA 出现了变异。RNA 的催化特性不仅适用于自身，还催化转酯化反应，这是蛋白质合成所必需的，它允许特定的肽序列和蛋白质出现。形成的一些肽可能支持 RNA 的自我复制，并提供进行修饰的可能性。这些修饰导致了更高效的 RNA 分子序列。

尤里和米勒的实验提出了一种形成嘌呤和嘧啶碱基的可能模型。该实验提供了有机分子起源于二氧化碳、氨和水等无机成分的证据。将这些产物混合在还原环境下，并用电击（模拟闪电），导致在一段时间内产生更具反应性的分子，如氢、氰化物和醛，以及一些氨基酸和有机酸。这些氨基酸促成了肽序列的形成。

http://www.smithlifescience.com/MillersExp.htm（参见设备）

通过对当今核糖体的功能的观察，可以进一步证明 RNA 世界假说有说服力。RNA 是核糖体合成蛋白质并催化肽键形成的工具。一种称为转移 RNA (tRNA) 的 RNA 负责将游离氨基酸传递到核糖体和生长的肽链。因此，这表明 RNA 是多功能的，可以作为合成器、转运器、信使和核糖体分子。

有人可能会问，如果 RNA 是 DNA 和蛋白质的前体，那么这种进化是如何发生的？DNA 与 RNA 序列互补，并储存基因组信息。由于 DNA 比 RNA 更稳定，因此 DNA 适应环境并接管 RNA 的这项工作是合理的。那么 DNA 如何比 RNA 更稳定呢？DNA 和 RNA 的基本结构差异在于糖。DNA 含有脱氧核糖，而 RNA 含有核糖。脱氧核糖中缺少的 2'-OH 基团是 DNA 更稳定的原因，因为没有羟基可供其他分子反应。否则，RNA 不会像 DNA 一样保持螺旋环状，因为核苷酸链很容易断裂。科学家正在探索的另一种可能性是逆转录酶 (RT) 在从 RNA 到 DNA 的转变中发挥了作用。逆转录酶催化从 RNA 模板形成 DNA，而 RT 是 HIV 等逆转录病毒的决定性特征。RT 以及 RNA 复制酶可能是执行这种转变的酶。此外，氰基乙醛和尿素的结合形成了尿嘧啶 (U) 和胞嘧啶 (C)——原始汤的成分。米勒的另一个实验支持了这一观点。目前没有证据表明胸腺嘧啶 (T)（DNA 中的含氮碱基，取代 RNA 中的尿嘧啶 (U)）是由这种大气形成的。这意味着 RNA 是 DNA 的前体。此外，发现从 RNA 形成的蛋白质是多功能的结构，使它们能够接管最初由 RNA 执行的催化功能。

支持假说的特性

20 世纪 80 年代，人们发现 RNA 可以通过与其他分子结合并折叠成特定的结构来激活和失活其他分子，支持 RNA 假说的特性变得更加清晰。在这一发现之前，研究人员认为 RNA 只有少数功能。此后，人们对 RNA 作为细胞生命前体进行了广泛的研究。

以下主要证据使科学界相信 RNA 先于 DNA 和蛋白质

- RNA 能够储存遗传数据，并将遗传信息传递下去。

- 它是连接 DNA 和基因形成与氨基酸和蛋白质合成的主要成分，通过转录和翻译实现。

- RNA 能够复制自身以及它携带的遗传信息，非常类似于 DNA。

- RNA 的复杂性低于 DNA，并且涉及的分子类型更少以实现自我复制。

- DNA 需要 RNA 引物才能复制，而 RNA 不需要任何这样的引物。这表明 DNA 似乎比 RNA 更依赖于 RNA 的持续存在，而不是相反。

- RNA 能够像蛋白质一样催化反应。蛋白质的形成也是由 RNA 管理的，这强烈表明它先于蛋白质存在。

- RNA 能够形成类似于 DNA 的双螺旋结构，以及类似于催化蛋白质的三级结构。

- RNA 的结构，在糖分子的 2' 位有一个羟基，使其成为一个不太稳定的分子，只要 RNA 分子处于灵活的位置并且没有受到限制，它就能够攻击附近的磷酸二酯键。这使其容易分解，并允许适应不同的构象，这可能对早期生命有利。

- RNA 的碱基组成与 DNA 不同，例如尿嘧啶，它是“胞嘧啶受损的产物”，这使得 RNA 更容易发生突变，因此更适合早期原始生命。

支持 RNA 世界假说的实验之一是米勒-尤里实验。该实验由斯坦利·L·米勒和哈罗德·C·尤里于 1953 年进行，旨在探究生命起源时存在哪些分子。该实验特别检验了亚历山大·奥巴林和 J.B.S.霍尔丹的假说，该假说认为，原始地球的条件有利于化学反应，将无机化合物合成有机化合物。这两个实验帮助世界各地的科学家更好地理解地球的演化以及有机化合物的形成过程。米勒和尤里使用的气体有甲烷 (CH₄)、氨气 (NH₃)、氢气 (H₂) 和水 (H₂O)。将这些被认为存在于原始地球上的气体放入一个封闭的玻璃容器系统中后，米勒和尤里不断地通过系统通入电流，模拟闪电，因为闪电被认为在早期地球上非常普遍。这些化合物被放置在一个无菌的玻璃管和烧瓶阵列中，这些管和烧瓶通过一个回路连接，其中一个烧瓶内装满一半液体水，另一个烧瓶内有一对电极。液体水被加热以诱导蒸发，电极之间产生火花以模拟大气层中穿过水蒸气的闪电，然后冷却大气层，使水冷凝并以连续循环的方式流回第一个烧瓶。一天之内，混合物变成了粉红色，[1] 经过一周的连续运行，米勒和尤里观察到，系统中高达 10-15% 的碳现在以有机化合物的形式存在。2% 的碳形成了氨基酸，这些氨基酸用于在活细胞中制造蛋白质，其中甘氨酸含量最丰富。糖类和液体也形成了。核酸并没有在反应中形成。但常见的 20 种氨基酸形成了，浓度各不相同。因此，该实验表明，对细胞功能和生命至关重要的有机化合物在原始地球的条件下很容易形成。

在一次采访中，斯坦利·米勒说：“仅仅在基本的前生物实验中启动电火花，就会产生 20 种氨基酸中的 11 种。”[2] 这进一步支持了 RNA 世界假说。

其他实验

米勒-尤里实验和奥巴林实验帮助开展了其他实验，以进一步证明有机化合物是在早期地球形成的，同时也证实了 RNA 世界假说。

1961 年，胡安·奥罗进行了一项实验，结论是氨基酸可以由 HCN（氰化氢）和氨气 (NH₃) 在水溶液中形成。该实验还产生了腺嘌呤，一种核苷酸碱基。这是一个重大突破，因为腺嘌呤是 DNA 和 RNA 中的四种碱基之一，是细胞的遗传物质。腺嘌呤还在 ATP（三磷酸腺苷）的能量释放过程中使用，ATP 是细胞中的能量释放分子。

这项实验导致了更多研究表明，其他三种 RNA 和 DNA 碱基可以通过类似的模拟化学环境（还原性大气）实验形成。

反对假说的性质

大多数反对 RNA 世界假说的人集中在消除 RNA 是第一种遗传物质形式的想法，尽管他们确实同意可能存在某种前 RNA 形式的遗传物质。总之

1. 核糖在原始混合物中相对不稳定，难以形成。尽管实验室环境中提供了有利且可控的条件，但从未从无生命物质中创造出前细胞生命。

2. 生命起源大约在 3 亿年前。一些人认为，这段时间太短，不足以让原始汤演化成前 RNA 或 RNA 世界。

3. 缺乏原始地球上大量多磷酸盐的证据，使得它不太可能是前生物能量的来源，也不太可能参与第一种遗传物质。 ^[4]。

其他人认为 RNA 不太可能是前 DNA 形式的遗传物质。他们的论点包括

1. RNA 的催化能力有限。理论家说 RNA 需要具有多种催化能力才能在原始世界中生存下来，但 RNA 并没有表现出这种能力。另一方面，蛋白质通过其不同的酶促能力确实具有这些催化能力。

2. RNA 分子形成的前生物模拟表明，碱基和糖分子在水中并不容易发生反应。

3. 反对者提倡蛋白质胜过 RNA，因为它们很容易形成。

4. 前细胞生命正确成分在同一时间和地点存在，没有污染，并具有正确的催化反应，这种可能性几乎是不可能的。 ^[5]^[6]。

5. 最近的研究表明，非编码 RNA 区域在细胞中具有良好适应的非常特殊的作用。例如，siRNA 和 miRNA——它们在 RNAi 和 mRNA 已经存在的环境中工作得很好。由于我们刚刚开始理解它们的有用性，因此原始 RNA 世界中存在“残余物”的可能性降低了，就像吉尔伯特在 1986 年最初提到的那样。 ^[7]。

替代理论

RNA 形成的困难导致了其他关于细胞生命前体材料的替代理论的提出

- 肽核酸理论 (PNA)，一种具有肽键骨架的核酸，成为一个可能的理论，因为它克服了 RNA 理论中关于 RNA 难以将核糖和磷酸基团连接在一起的问题。

- 提出胸腺嘧啶核酸比 RNA 更可能是起始材料。

- 提出甘油核酸作为 RNA 的前体，因为它们很容易形成。

- 双重起源理论认为，RNA 和蛋白质在同一时间独立存在。

支持

RNA 世界假说得到 RNA 能够存储、传递和复制遗传信息的支持，就像 DNA 一样。RNA 还可以充当核酶（由核糖核酸制成的酶）。因为它可以自我复制，执行 DNA 和蛋白质（酶）的功能，所以人们认为 RNA 曾经能够独立生活。此外，虽然在米勒-尤里的生命起源实验中没有发现核苷酸，但其他人（特别是琼·奥罗）的模拟发现了核苷酸。对基本核酶（如病毒 RNA Q-beta）的实验表明，简单的自我复制 RNA 结构可以承受即使是强烈的选择压力（例如，反手性链终止符）（《选择的基础》（伦敦：施普林格，1997 年））。

此外，在过去，给定的 RNA 分子可能比现在存活更长时间。紫外线可以导致 RNA 聚合，同时分解其他可能具有催化 RNA 分解能力的有机分子（核糖核酸酶），表明 RNA 可能曾经是早期地球上的常见物质。该理论的这个方面尚未得到检验，并且是基于糖磷酸分子浓度的恒定。

困难

碱基胞嘧啶没有合理的前生物模拟方法，因为它很容易发生水解。

制造核苷酸的前生物模拟具有与制造糖类（大量甲醛）不兼容的条件。因此，它们必须以某种方式合成，然后汇集在一起。然而，它们不会在水中反应。无水反应与嘌呤结合，但只有 8% 的嘌呤与糖上正确碳原子结合，并与碱基上正确的氮原子结合。然而，嘧啶甚至在无水条件下也不会与核糖反应。

然后必须引入磷酸盐，但在自然界中，溶液中的磷酸盐非常稀少，因为它很容易沉淀。引入后，磷酸盐必须与核苷结合，并且必须磷酸化正确的羟基，以形成核苷酸。

为了形成 RNA，核苷酸必须被自身激活（这意味着它们必须与另外两个磷酸基团结合，如三磷酸腺苷）。活化的嘌呤核苷酸在所有嘧啶 RNA 的预先存在的模板上形成小链。然而，这种情况不会反过来发生，因为嘧啶核苷酸没有堆叠得很好。

此外，核糖必须全部是相同的对映异构体，因为任何错误手性的核苷酸都会充当链终止符。

A.G.凯恩斯-史密斯在 1982 年批评作家夸大了米勒-尤里实验的含义。他认为，该实验表明的不是核酸先于生命的可能性，而是其不可信性。他声称，构建核酸的过程将需要 18 个不同的条件和事件，这些条件和事件必须在数百万年内不断发生，才能积累所需的量。

替代假说

如上所述，同一假说的另一种版本是“前 RNA 世界”，它假设另一种核酸在 RNA 之前出现。一种候选核酸是肽核酸 (PNA)，它使用简单的肽键连接核碱基。⁵³ PNA 比 RNA 更稳定，但其在生物发生前条件下生成的可能性尚未得到实验验证。

赤藓核酸 (GNA) 与 PNA 相似，也缺乏各自生物发生的实验证据。

多环芳烃世界假说提出了另一种——或补充——RNA 起源理论，⁵⁷

铁硫世界理论假设简单的代谢过程在遗传物质出现之前就已经发展起来，这些产能循环催化了基因的产生。

RNA 世界假说的另一种替代理论是泛种论假说。它讨论了地球上最早的生命可能来自银河系中的其他地方，可能通过类似于默奇森陨石的陨石到达地球。⁵⁸ 这并不否定 RNA 世界的概念，而是假设这个世界并非地球，而是另一个，可能更古老的星球。

RNA 世界的意义

如果 RNA 世界假说成立，它对生命的定义具有重要意义。在沃森和克里克阐明 DNA 结构后的很长一段时间里，生命被认为主要由 DNA 和蛋白质定义：DNA 和蛋白质似乎是活细胞中占主导地位的大分子，RNA 只是在从 DNA 蓝图中创建蛋白质的过程中提供帮助。

RNA 世界假说将 RNA 置于生命起源的中心位置。在过去的十年中，许多研究表明 RNA 功能的许多重要方面之前是未知的，并支持 RNA 在生命功能中起关键作用的想法。在 2001 年，RNA 世界假说得到了重大的推动，因为人们破译了核糖体的三维结构，结果表明核糖体的关键催化位点是由 RNA 构成的，蛋白质没有主要的结构作用，在功能上处于次要地位。具体来说，肽键的形成，将氨基酸结合成蛋白质的反应，现在已知是由 rRNA 中的腺嘌呤残基催化的：核糖体是一种核酶。这一发现表明，RNA 分子很可能能够产生第一批蛋白质。其他证明 RNA 在简单的信使或转运分子之外发挥作用的有趣发现包括小核核糖核蛋白 (SnRNPs) 在真核生物中前 mRNA 加工、RNA 编辑和逆转录中的重要作用，以及端粒酶反应中端粒的维持。

参考资料

^ Gesteland, R.F., Cech, T.R., Atkins, J.F., 2006, RNA 世界：现代 RNA 的性质表明一个生物发生前的 RNA, Cold Spring Harbor Laboratory Press, 美国, 768 p.
^ Gilbert, W., "RNA 世界"。自然 618。
^ Altman, S. RNA 世界
^ Lazcano, A, Miller, S.L., "生命起源和早期演化：生物发生前化学、前 RNA 世界和时间" 细胞, 第 85 卷，7930798，1996 年 6 月 14 日。
^ NationMaster.com 上的 RNA 世界假说
^ ExperienceFestival 上的 RNA 世界假说
^ Eddy, S.R., "非编码 RNA 基因和现代 RNA 世界" 自然评论：遗传学 第 2 卷，2001 年 12 月。