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但是说起这个“A”,它在前一种情况里有些蹊跷,似乎很容易在启动时丢失。这种担心不是多余的,实际上,RNA复制酶就是很容易弄丢开头的一两个碱基,如果不加弥补,那么只要多复制几次,RNA就会被磨秃了。但是,碱基A却有些不同,它根本不需要模板就能连接在新聚合的核酸链末尾,然后在下一次聚合时恢复成完整的CCA。
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“下一次聚合”是个非常微妙的操作,很值得我们玩味。核酸的模板链和子链不但互补配对,而且头尾相反,所以,如果这一次聚合的模板是以“CCA”开头,又漏掉了开头的“A”,把“CCA”聚合成了“GG”,那么下一次聚合的模板就是以“GG”结尾,聚合出一个“CC”结束工作。但是,这些酶走到结尾的时候虽然已经用尽了模板,却还是会机械性地再拿一个RNA单体连接在3’端末尾,然后才从模板上脱落——这有些像《猫和老鼠》里面,汤姆猛追一气追到悬崖边还不知不觉地凌空跑出去一大截,探探脚下已经没了地面,才唰地掉下去——而那个最常连接在末尾的RNA单体,就是碱基A的单体,也就是ATP,细胞的能量通货,最愿意水解的物质。把这样一个单体挂在结尾,就算没有模板,稳定性也能达到有模板的情况的65%到95%。
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于是,通过这种“无模板”的补全,结尾的CC就重新恢复成了CCA。而且任何模板链都是上一次复制的子链,所以RNA链如果以GG开头,以CCA结尾,就能保证每一次复制都是以GG开头,以CCA结尾,而整个RNA永远都不会在复制中损耗了,这也就是基因组标签假说的“末端保护”了。在第十四章,施皮格尔曼发现施皮格尔曼怪的时候,用的就是Qβ噬菌体的RNA复制酶,而Qβ噬菌体的RNA,就是以GG开头,再以CCA结尾的。
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总之,韦纳夫妇提出,只要有了这个带着CCA尾的迷你螺旋,RNA复制和逆转录就都变得又快又准了,即便是在完全没有蛋白质翻译这回事的RNA世界早期,也具有足够的适应优势,可以进化出来。如果把这个假说放在我们的故事里,我们甚至可以大胆地推测,从元祖开始,这些带着CCA尾的迷你螺旋就是细胞专门制造出来的调控性RNA。像这样只有几十个碱基的双股RNA直到今天都是细胞内RNA调控的关键成分,比如在第十四章里,我们提到过的RNA干扰机制,也往往都与小型的双股RNA有关。
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但是,读到这里,你心头的迷惑恐怕并未减少,反而越发增多了。上一节才反复讨论过,迷你螺旋的3’端本来有个反密码子,到这里又说带着CCA尾的迷你螺旋是多么古老,那么最初的迷你螺旋的3’端,到底是反密码子,还是CCA尾?如果是反密码子,那么基因组标签假说岂不成了泡影?如果是CCA尾,那氨基酸岂不是无法与反密码子建立联系?如果先是反密码子,后来变成CCA尾,那么千篇一律的CCA尾又如何还能继续结合不同的氨基酸?而且更根本的,这些CCA尾为什么要结合氨基酸?……一旦追问下去,问题就会越来越多。
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·组件替换·
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忒修斯与雅典青年从克里特岛归来时乘坐的30桨船被雅典人珍重地保存下来,直到法勒鲁姆的德米特里的时代。其间,他们会把朽掉的木板拆去,换成更新更结实的,于是,这船就成了哲学家们论道变化的活例子:有的说这船还是原来那艘,有的却坚称它不是原来那艘。
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——《忒修斯》,普鲁塔克,公元75年左右
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对于这些追问中的第一个,我们的回答是,最初的迷你螺旋能够切换反密码子和CCA这两种不同的结尾,因为那个CCA可以在迷你螺旋复制前后随时拆装,对此,最关键的依据就在今天的细胞里。
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我们在上文说过,刚刚转录出来的转运RNA还不能立刻投入工作,而先要接受一系列的加工才能走向成熟。其中相当关键的一项,就是把原来的3’端剪掉,再由CCA添加酶[5]结合在秃了尾巴的迷你螺旋上,一个碱基一个碱基地重新续出一个CCA尾,这是所有细胞都在做的事情,一定可以追溯到末祖那里。X
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图4—50 转运RNA的序列加工:第一步,刚刚转录出来的转运RNA被“RNA酶P”,也就是第十三章里人类最早发现的酶RNA,剪掉5’端冗余序列;第二步,被“剪接体”剪掉内含子;第三步,被“限制性内切酶”剪掉3’端冗余序列,并且由“CCA添加酶”添加CCA尾;最后,经过了这些剪剪切切,还会有许多其他的酶来专门修饰转运RNA上的某些特定的碱基。(作者绘)
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所以,韦纳夫妇提出,在RNA世界的原始细胞里,这个CCA添加酶的工作就是给意外磨秃了的迷你螺旋重建基因组标签,毕竟原始的RNA复制酶想必不太可靠,复制那么多的RNA,行差踏错一定会出现,届时总得有谁来收拾局面。果然,人们在实验中发现,除了转运RNA,如果病毒3’端那个酷似迷你螺旋的结构秃了尾巴,这些CCA添加酶也能结合上去,给它们补足一个完整的CCA尾,把它们的末端保护得特别好。XI
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但这又引出了新的问题:CCA添加酶完全是由蛋白质构成的,又怎么出现在转运RNA都没有成型的RNA世界早期呢?——你看,这又是一个“先有鸡还是先有蛋”的问题。
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更可疑的是,在今天的细胞里,CCA添加酶有两种不同的版本XII,古菌的是一种,细菌和真核细胞的是另一种,而且两者的氨基酸序列差异很大[6]。按理说,这意味着两种CCA添加酶有不同的起源,是末祖分化成细菌和古菌之后,再由这两个类群分别进化出来的,那还怎么追溯到转运RNA的起源问题上去呢?这就好比两个作家写了两篇文章,虽然题目一样,说的事情也一样,却看不出多少雷同的句子,那还怎么追究他们谁抄了谁呢?恐怕只能说是英雄所见略同了。
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图4—51 CCA添加酶的工作原理,红色圆点表示催化中心。其中,右侧上方一行是古菌的CCA添加酶工作原理,转运RNA的3’端具有弹性,不断被压缩,催化中心由此依次添加3个碱基;右侧下方一行是细菌和真核细胞的CCA添加酶的工作原理(推测中的),CCA添加酶弹性更强,不断形变,催化中心一边移动,一边依次添加3个碱基。(更改自Kozo Tomita和Seisuke Yamashita,2014)
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但是,再仔细比较这两种CCA添加酶,包括细菌的CC添加酶和A添加酶,我们又会发现事情没有这么简单:虽然氨基酸序列不一样,但它们的三维结构实在太像了。就好像你又仔细读了那两篇文章,发现所有对应的段落都在说同一件事,这篇在结尾写了首颂,“一切有为法,如梦幻泡影,如露亦如电,应作如是观”,那篇在最后占了段偈,“诸和合所为,如星翳灯幻,露泡梦电云,应作如是观”[7]——这就大有问题了。
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对此,我们可以给出一个“忒修斯之船假说”XIII。这两篇文章虽然不是“抄写”自同一篇文章,却是“翻译”自同一篇文章。最初,在原始细胞内,原始的CCA添加酶就是RNA组成的,是个酶RNA。但是当原始细胞进化成了核糖细胞,蛋白质就与CCA添加酶结合起来,增强它的功能。结果蛋白质后生可畏,在催化反应中的表现比RNA出色多了,在进化中更具优势,于是,CCA添加酶中的RNA就一点一点地全都换成了蛋白质,恰似用钢材代替木材,翻新了忒修斯之船。
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这项翻新工作无疑持续了漫长的时间,到末祖分化成了细菌和古菌,才在这两个类群里分别完成,于是就变成了两种氨基酸序列不同,结构和功能却完全一样的CCA酶。
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看起来,这是一种传奇的解释,但这样的传奇却并没有那么罕见。在第十二章的结尾,我们说到某些长链RNA的绝大部分都被蛋白质替换,只有活性的末端保留下来发展成了辅酶A之类的物质。很明显,那个假说同样是在翻新忒修斯之船。
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更明显的例子已经出现在第十三章。人类最先发现了两种酶RNA。一种是RNA酶P,这种酶就已经把大部分结构都翻新成了蛋白质,而只保留了催化中心的RNA。另一种酶RNA是自剪接内含子,称得上原封不动,但是在我们真核细胞,尤其是动物细胞内,这样自剪接内含子却很少,大部分内含子都是由“剪接体”剪掉的。这些剪接体是一些超大型复合物,其中既包含了蛋白质,也包含了RNA,缺了谁都不能剪掉内含子。然而有趣的是,我们发现这些剪接体本身就是一种自剪接内含子进化来的[8]XIV——看起来,忒修斯的这两艘船都只翻新了一半。
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所以,对于这一章刚开始就留下的第二个问题——aaRS要怎样出现在RNA世界里,韦纳夫妇也直接沿用了忒修斯之船假说:aaRS也是一艘忒修斯之船,也曾经是RNA构成的酶,也在进化中完全被替换成了蛋白质。
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