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而控制合胞体滋养层发育的最关键的基因,就是“内源性逆转录病毒W封装成员1号”(ERVW-1),它来自2 500万年前感染了我们灵长类祖先的一种逆转录病毒,这个病毒的所有碎片占据了人类基因组的1%,而迄今发现的各种内源性逆转录病毒一共占据了人类基因组的8%。这个数字远比看起来惊人,要知道,那些真正编码了蛋白质的外显子全加起来也只占人类基因组的1.5%。当然,也不是只有人类或者灵长类动物俘获了逆转录病毒,鼠、兔、象和蝙蝠也以相同的途径获得了合胞体滋养层,对各种真核生物来说,内源性逆转录病毒都能占据基因组的10%左右V。
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说回核糖细胞,它们从病毒那里俘获了逆转录机制,开始把遗传信息写入DNA,但这时的DNA仍在使用碱基U[8]VI,那么,又是什么让核糖细胞改用碱基T了呢?
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在福泰尔的推测中,这与它们改用的DNA的原因如出一辙,都是俘获了病毒的基因,也都是病毒要躲避细胞的防御:细胞与病毒的对抗永远都不会停止,病毒把遗传信息写进了DNA,细胞就会设法识别DNA中的碱基序列,追杀病毒,那么病毒就再反过来修饰自己的碱基,让细胞认不出来。
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给U碱基增加一个甲基,正是一种简便易行、立竿见影的修饰。这个甲基不改变碱基配对时的氢键,也就不影响DNA的合成。T和U用起来没什么不同,却改变了碱基的形状,让那些在DNA上巡逻的蛋白质哨兵结合不住,无法被识别。像这样修饰碱基突破防御的做法,直到今天都被许多DNA病毒延续着。比如许多专门感染细菌的噬菌体就会编码一些专门的酶,给自己的碱基C增加一个羟甲基,成为“5-羟甲基胞嘧啶”。而这个给碱基C增加羟甲基的酶,刚好就与给U增加甲基的那个酶,有着相同的进化来源VII。
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不过也应该指出的是,福泰尔是在2003年左右总结的这个设想,当时5-羟甲基胞嘧啶还只在病毒的DNA中发现过。但是到2009年我们就发现,这个特殊的碱基也存在于哺乳动物的胚胎干细胞,以及灵长类动物和啮齿类动物的大脑中VIII,与这些细胞的分化有着密切的关系,能够促进某些基因的表达。这背后究竟意味着什么,有着怎样的进化历史,到这本书写成的时候还没有任何清晰的结论。
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总之,在福泰尔的推测里,核糖细胞在与逆转录病毒和DNA病毒的厮杀中“师夷长技”,获得了DNA的基因组,其中的某些细胞,就是我们的末祖。但末祖的样貌我们要等到下一幕才能细说,此时,我们又要回忆第七章快要结尾的部分。在那里我们提过,白烟囱假说与福泰尔的推测“若合一契”,共同构成了一幅生命起源的图景。那么,这是怎样一种契合法呢?
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白烟囱,刚好能给核酸提供必要的复制条件。
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·温差中的链式反应·
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无论是RNA还是DNA,一旦缔结成连续的双链,就会变得更加稳定,但也同时遇到一个问题:这些双链的碱基都已经互补配对了,还怎么拿去复制、转录、翻译、逆转录,完成中心法则的信息流动呢?在今天的细胞内,会有一些专门的酶去把双链解开,让模板链恢复单身,以便让各种酶结合上去。但是在双链初次形成的联合世界或者逆转录世界里,稳定的双链要如何才能打开呢?
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温度,靠温度的变化就可以!
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碱基配对靠氢键,而氢键对温度很敏感。在较高的温度下,所有的碱基对都会自行断开,双链也就被拆成了两条舒展的单链。当温度有所下降,碱基又可以重新配对。当然,此时的原配早就不知漂到哪里去了,单链要重新配对就只能随遇而安,在复制酶、聚合酶、逆转录酶的帮助下新造一条互补链。
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不难想到,温度如果忽升忽降,这个过程就会循环往复,溶液中的核酸也会因此不断扩增。实际上,这正是人类在实验室中大量复制某段DNA或RNA序列的标准做法,被称为“聚合酶链式反应”。比如第十四章里那些施皮格尔曼怪就是这样扩增出来的。
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而白烟囱的矿物管道刚好能给链式反应提供非常恰当的温度条件:碱性热液的温度可以高达90℃,酸性海水的温度又在30℃以下,它们在管道里持续不断地对流,就能给原始细胞、核糖细胞和逆转录细胞带来周期性的温差,促成链式反应了。在实验室里,相同原理的“对流式PCR”可以在25分钟之内把模板链扩增10万倍IX,白烟囱在40亿年前的效率哪怕只有这个实验的万分之一,也远远超过现代细胞的复制速度了。
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图4—26 DNA聚合酶链式反应图解。(来自Enzoklop | Wikicommons)
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如果温差产生的链式反应真的提供了DNA扩增的关键辅助,那么早期的逆转录细胞就很难进化出独立完整的DNA复制系统了,因为温度变化能像拆包装一样骤然撕开双链,而解旋酶只能像拉拉链一样从头到尾逐个打开双键,相比之下效率低得很,并没有什么明显的适应优势。
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而这又恰恰解释了第七章里尤金·库宁发现的疑问:复制DNA的酶系统,是在末祖分化成细菌和古菌,开始独立生存的过程中各自进化完善的。
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至于末祖是如何分化成了细菌和古菌,细菌和古菌又是如何获得了独立生存的能力,这两个问题将会收拢迄今为止的整个故事,拼成一幅空前完整的生命起源图景。那些急切地想要欣赏这幅图景的读者,可以现在就跳到下一幕去,一口气读完这本书的正文。而那些愿意留在这一幕的读者,我们将一起回到RNA世界向联合世界过渡的时刻,进入核糖细胞内部,思考一个具体且重要的问题:
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最初的蛋白质,是怎么合成出来的?
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延伸阅读核糖核苷酸还原酶的工作原理
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DNA当然有可能像RNA一样是地质化学作用的产物。比如就在2019年,一项新研究证明了乙醛等小分子有机物可以循序渐进地从头合成DNA的单体。X
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但是,正如正文里反复讨论过的,如今的生化反应强烈暗示了DNA是RNA改良的产物,而不是一种从头开始的创新,所以,今天的细胞里发生的事情,恐怕更值得思考和借鉴。
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在今天的细胞里,负责制造脱氧核糖的是“核糖核苷酸还原酶”(RNR),但它不是给单独的核糖脱氧,而是给RNA的单体脱氧,直接产生DNA的单体。
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