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1700260263 啊,这可太难办了!
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1700260265 因为迄今为止,我们在一切细胞和病毒当中找到的一切RNA复制酶都是蛋白质[14],这实在不是什么好消息。不过,我们倒也不是非得从细胞或者病毒里面找到它。因为在RNA世界假说中,RNA的遗传和催化能力都早已让渡给了DNA和蛋白质,所以今天的有机体不保留这样的酶RNA也是情理之中的事情。当然,这绝不是说RNA复制酶RNA如今已经没有了就可以死无对证,我们即便不能在细胞和病毒里面找到它,也至少要在实验室中造出它,证明RNA确实有自己复制自己的能力,这样才能理直气壮地“找不到”。
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1700260267 要单纯找到一种RNA复制酶RNA并非难事。早在1993年,哈佛大学的生物实验室就修改了四膜虫的内含子,获得了一种能够复制任意模板的酶RNAV。但这种酶RNA的复制原料并非任意的核苷酸,而是有三四个碱基的RNA片段,它必须先等这些片段一个接一个地匹配上了模板链,才能赶上去把它们连起来,这让它的速度和精度都没什么保证。
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1700260269 最先解决这个问题的是美国麻省理工学院。2001年,该院校的科研人员在实验室里获取了一种新的酶RNA,能够利用给定的RNA模板,把已经开了头的RNA聚合工作继续推进14个碱基,其中,前11次聚合的准确率可以达到1 088/1 100。
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1700260271 14个碱基算不上可观的长度,却是个好的开始。在此后几年中,越来越能干的RNA复制酶RNA在不同的实验室里诞生VI。到2014年,科学家们找到的RNA复制酶RNA已经能够聚合出长达200个碱基的RNA链了。但这些RNA复制酶RNA又都有些共同的缺陷,比如它们的模板只能是二三级结构比较简单的RNA,而且总倾向于聚合特定的碱基序列。
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1700260273 目前为止最优秀的RNA聚合酶RNA来自美国的斯克里普斯研究所(Scripps Research Institute)[15]。生物化学家杰拉德·乔伊斯在2016年制取了一种名叫“24—3聚合酶”的酶RNA,它的长度只有大约150个碱基,却能在很短的时间内把目标RNA复制成原长度的1万倍,而且模板可以是非常复杂的RNA,包括多种酶RNA,甚至成熟的转运RNA。VII
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1700260275 乔伊斯制取24—3聚合酶的方法也可圈可点,那是一场很大规模的“模拟进化”。他的团队首先找来了一种比较普通的RNA复制酶RNA,把它当作“种子”。然后,他们给这个种子引入了大量的随机突变,产生了数以亿计的“变种”。接着,他们又用这些变种去复制各种模板RNA,从中选择速度和精度俱佳的变种,当作新的种子,投入下一轮的突变和筛选。所谓“24—3聚合酶”,就是第24轮的3号聚合酶。
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1700260277 目前看来,24—3聚合酶已经充分证明了RNA复制酶RNA的存在,但它的模板不能是另一个24—3酶,所以,它不能实现自我复制,还不是我们要找的“自催化RNA复制酶RNA”,而且直到本书写成的时候,还没有任何一间实验室能够找到这样一种RNA。
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1700260279 于是,杰拉德·乔伊斯就把这个下落不明的酶RNA,也就是那面能照见本身的镜子,唤作“圣杯”[16],世界各地的酶RNA研究者也很快接受了这个寓意深刻的称呼。
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1700260281 但是,他们一边在继续寻找这个失落的圣杯,另一边也在思考圣杯究竟会是怎样一副模样,比如说,圣杯究竟有几个?
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1700260283 你或许会想,一个圣杯就已经如此难以寻找,如果圣杯有许多个,那岂不是从《夺宝奇兵》变成了《龙珠》,达成目标难上加难了?
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1700260285 这倒未必。实际上,早在24—3聚合酶发现之前,2009年,杰拉德·乔伊斯就曾用那种“模拟进化”的方法找到过一个“酶RNA自复制组合”VIII。首先,第一种酶RNA能够把两种特定序列的短RNA连接起来,变成第二种酶RNA。接着,第二种酶RNA又能把另外两种特定序列的短RNA连接起来,变成第一种酶RNA。于是,只要不断地往试管内投入那4种特定序列的短RNA,这两种酶RNA就会无限地增殖彼此。平均下来,它们每小时能各自增殖一倍,这是非常不可思议的速度了。
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1700260287 只可惜,这两种酶RNA都显然不是我们要找的圣杯,因为它们需要人为添加那4种特定序列的短RNA,并不能在试管之外进化出来。类似的,2012年,美国波特兰州立大学也发现了一个“酶RNA三元催化组合”IX,这个组合也不能自由地增殖自己,但在催化效率上同样表现得非常出色,在竞争中明显超过了单一酶RNA的自我催化。
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1700260289 圣杯虽然仍未露面,但我们视野却更加开阔了。在实验室里即便找到了那么一座圣杯,在分子层面上,它也只是催化复制与自己相同,或者至少几乎相同的另一个RNA分子,而不是一个分子自己催化复制自己。然而,正如上一章的讨论,最早的RNA是随机生成的产物,要在小范围内出现两个基本相同的RNA序列,将是难以企及的低概率。但如果圣杯不是自我复制的RNA个体,而是自我复制的RNA集团,事情就容易了许多,因为能够承担催化复制任务的RNA序列数不胜数,一个环境里只要出现其中几种,它们就能互相催化复制,这个集团就能以惊人的速度呈指数级扩增,整个问题也就迎刃而解了。
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1700260291 也就是说,RNA世界假说如果是成立的,那么在它的起源之初,就更有可能是多个酶RNA相互协作、互相催化的热闹局面,这不但能大大加快反应,也能让整个系统更加稳定。在某种程度上,我们不妨将每一种RNA看作一个物种,将那个互相催化的RNA世界看作一个各物种相互依存的生态系统,这样一来,一些原本难以回答的问题,就变得豁然开朗了。
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1700260293 比如说,我们要思考第三幕里的各种地质化学反应要如何转化成生命的物质能量代谢。如果把目光单纯地聚焦在某一种酶上,追究那一种酶要如何从无生命的世界里出现,势必是痛苦而无解的。但是,在一个互利共生的RNA世界里,自我复制的RNA团体一旦开始运转,就可以兼顾复制一大批其他的RNA。在这些RNA中,如果存在某种可以促进固碳作用、促进能量代谢的酶RNA,那么,整个团体都将从中受益,复制得更多更快,容纳更多的RNA。
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1700260295 那么,在这样一个生生不息的正反馈当中,任何复杂结构的出现,就都不再有观念上的困难了。
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1700260297 [1]霍尔丹写过一本名叫“生命起源”的书,其中讨论了原始有机汤假说,我们曾在第一章遇到过他的设想。
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1700260299 [2]英国皇家学会会员西里尔·达林顿(Cyril Dean Darlington,1903—1981),英国遗传学家,发现染色体互换机制的就是他。
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1700260301 [3]但值得一提的是,DNA双螺旋的发现,又恰恰是在薛定谔这本小册子的启发之下完成的,因为薛定谔虽然不清楚遗传物质是什么,却高屋建瓴地指出那应该是一种“非周期性的晶体”,应该是一种非常巨大的分子,这个巨大的分子又由许多相似但不同的小单位组成,这些小单位按不同次序排列,就形成了遗传的编码。
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1700260303 [4]你会注意到黑色字母并不是寻常的碱基符号,那是因为成熟的转运RNA还会给某些碱基增加修饰,以调整三级结构的细节。比如“D”表示“二氢尿嘧啶”,给尿嘧啶增加了两个氢原子;“Ψ”表示“假尿嘧啶”,一种酷似尿嘧啶的嘧啶;“m⁷G”表示“在碱基G的第7个碳原子上增加一个甲基”;等等。另外,“Y”表示“C或T都可以”。
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1700260305 [5]在这里使用括号,是因为内含子的确是一些带有“括号”的碱基序列,也就是说,凡是内含子,都从某种特定的序列开始,由某种特定的序列结束,识别了这个括号序列,就找到了内含子。
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1700260307 [6]倒不是说所有的内含子都毫无意义,有些内含子就像“注释”一样,能够调控基因的表达方式,但无论如何,它们不能出现在成熟的RNA里。
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1700260309 [7]四膜虫(Tetrahymena)是一种与草履虫关系很近的单细胞真核生物,很容易养活,是遗传学和分子生物学常用的模式生物。另外,与第十一章提过的变形虫一样,它们长期以来被认为是动物,但实际上并不属于动物界,而属于SAR超类群的囊泡虫界。
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1700260311 [8]切赫选择的RNA是四膜虫的核糖体26S RNA,这个RNA带有长约400个碱基的内含子。
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