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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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的确,在那些CCA添加酶上出现过的事情,在aaRS上也同样出现过。如今的aaRS也完全由蛋白质组成,也在细胞内存在着两种不同的类型,这两种类型的aaRS也看起来很不一样,却在整体结构上非常类似,也不像是两次独立进化的产物,不同的只是两种类型的aaRS并不是出现在不同的细胞内,而是用来对应不同的氨基酸,比如谷氨酸对应II型aaRS,天冬氨酸对应I型aaRS,所以,这艘船应该在末祖分化成细菌和古菌之前就翻新完成了。
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如果再多推敲一下,这个回答不只能解决鸡和蛋的问题,还隐约地勾连起了上一章的密码子催化假说。如果aaRS曾经由RNA构成,那或许当时的aaRS就带着原始的密码子,这些密码子一边催化形成了最初的几种标准氨基酸,一边识别迷你螺旋末端的反密码子,然后通过互补配对转移这个氨基酸。这个过程虽然与现代aaRS的工作机制非常不同,但那毕竟是40亿年前的事情,从RNA世界到联合世界,从原始细胞到核糖细胞……其间不知道发生过多少次生化革新,aaRS发生一些意料之外的变革也是情理之中的事情。
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可是,经历了如此多的变革,反密码子结尾的迷你螺旋变成了CCA结尾的转运RNA,那些aaRS为什么能一直存在,还一直坚持不懈地要给迷你螺旋缀上一个氨基酸呢?是什么样的选择优势,促进了aaRS的持续进化?或者再说得明白一些:在中心法则的翻译机制确立起来之前,反密码子或者CCA尾上的氨基酸,究竟有什么用处呢?
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不得不承认,这又是一个难以回答的问题,我们只能试着给出一个猜测性的解释:氨基酸具有种类丰富的侧链,它们与迷你螺旋的末端结合起来,可以发挥精细的调控作用。
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比如说,原始的RNA复制酶如果是个酶RNA,就可能因为磷酸基的酸性而带上微弱的负电荷,那么,给迷你螺旋增加一个碱性的氨基酸,就能让这个迷你螺旋带上微弱的正电荷,然后通过静电吸引,提高扩增的速度,反之,酸性的氨基酸就将减缓扩增的速度。不同种类的aaRS识别不同种类的反密码子,就能调控不同的RNA在细胞中的比例了。
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又比如,RNA的催化能力不只来源于它的三维形态,也与它的那个活跃的羟基有关。而当aaRS把这些氨基酸连接在那个羟基上,RNA就可能获得新的催化能力,给不同的反密码子加载不同的氨基酸,也就给RNA赋予了丰富多变的催化能力。
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总之,氨基酸的千变万化,搭配RNA的变化多端,很可能呈现出丰富的生化功能,未必只有翻译蛋白质这一条出路,任何一种可能的优势,都足以促进aaRS与迷你螺旋的协同进化。
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而在这个协同进化的过程中,aaRS与迷你螺旋的匹配越来越全面,越来越准确,当CCA添加酶给迷你螺旋续上了CCA尾,aaRS也仍然能把对应的氨基酸连接到CCA的末尾上,维持那种催化能力。[9]XV
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就这样,氨基酸统一加给了CCA尾,而这种统一又给蛋白质的翻译工作创造了便利,迷你螺旋因此发展成了转运RNA。
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·拼图谜题·
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我们终于可以掉头回去,梳理出转运RNA的起源问题的进化图景了:
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最初,转运RNA只有如今的一半,是个以反密码子结束的迷你螺旋,这个迷你螺旋与原始的aaRS建立了某种调控关系,可以加载对应的氨基酸。
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同时基因组标签假说成立,这些迷你螺旋也能与CCA添加酶结合,周期性地获得一个额外的CCA尾,成为RNA的复制标签。
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于是,我们提出了一个忒修斯之船假说,aaRS把对应的氨基酸加载给CCA尾,并且逐渐分化出了越来越多的种类。
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这样,我们就回到了本章较早的部分。其间的某个时候,迷你螺旋重复加倍,成了连体的怪胎,经过重新折叠,获得了现代转运RNA的基本形态。3’端末尾仍是迷你螺旋,会周期性地获得CCA尾,并获得氨基酸;在迷你螺旋下方则增加了一个反密码子臂,转运RNA就有了识别密码子的潜力。
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