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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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这样一来,进化就可以开始下一个阶段,从RNA世界飞跃到联合世界中去了。
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看起来,我们似乎解决了许多问题,真叫人松一口气。但是在真的进入下一个进化阶段之前,我们又不得不保持清醒和警惕,因为假说毕竟是假说,在有关生命起源的问题上,我们总要考虑有没有别的解释。忒修斯之船假说出现于上个世纪末,那时RNA世界假说在生物学界风头正盛,几乎是生命起源唯一的选择,所以这个假说也就理所当然地默认了“起初只有RNA,没有蛋白质”。
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可是到了这个世纪,分子生物学与生物化学开始愈加迅速地发展,RNA世界假说本身也遭遇了一些挑战。在第六章,我们介绍过RNA与蛋白质谁先问世的争论。后者的支持者认为,进化的起点并不是一个纯粹的RNA世界,而至少是一个RNA与肽[10]互相催化的世界。当时虽然没有中心法则里的翻译机制,氨基酸却能以其他方式聚合成肽,而在这些肽里,就存在着原始版本的CCA添加酶和aaRS,所以要解释这两种酶的起源并不需要一艘忒修斯之船。XVI
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但是,直到今天,我们都不曾发现把肽的氨基酸序列“逆翻译”成核酸的碱基序列的化学机制,也不曾发现有哪种蛋白质可以复制其他蛋白质[11]XVII,中心法则的右半边仍然只有一个单向的“翻译”箭头(图2—42)。就目前来看,肽即便很早就出现在RNA世界里,也无法与今天的蛋白质建立什么遗传上的关系,RNA与肽的相互催化即便真实存在,整个中心法则的起点也还是RNA。所以RNA世界假说也不会受到什么根本性的颠覆,那个从原始细胞到核糖细胞,再到逆转录细胞的起源图景也仍然是我们追寻的答案。
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可是这幅图景已经被岁月的洪流冲刷了40亿年之久,破碎成了无数的碎片,又与其他种种拼图混成一团,遍洒世界的每一个角落。在过去的半个世纪里,细胞生物学家、遗传学家、分子生物学家和生物化学家们探赜索隐,就着收集来的碎片,构造了数不清的假说。而当我们把这些假说也当作拼图摊在面前,我们就困惑地看到,即便只考虑RNA世界,这一章里的每个假说也都存在着各种各样的替代方案:
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“双发卡假说”认为转运RNA从最初的琵琶腿到连体的琵琶腿再到整个鸡大腿,转运RNA的每个进化阶段都在翻译蛋白质,并没有基因组标签什么事。XVIII“三重迷你螺旋假说”认为转运RNA不是前后两半首尾相接,而是三个迷你螺旋首尾相接,每个迷你螺旋的反密码子都在螺旋的正中。XIX“手性选择氨酰化假说”认为最初的aaRS就是一段很短的RNA,但这个RNA与反密码子没什么关系,它只是像桥一样,让迷你螺旋与那个带有氨基酸的RNA凑得足够近。XX“甘氨酸起始假说”认为甘氨酸是第一个参与编码的氨基酸,而CCA尾的“CC”对应的“GG”就是它最初的密码子,其他所有密码子都是由此扩充出来的。XXI“受体臂折叠”假说认为反密码子曾与CCA尾直接相连,而CCA尾自己就能掉过头来,把反密码子上结合的氨基酸挪到自己的“A”上。XXII……
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啊,我们面对着数也数不清的拼图,它们有的能拼成意义深远的图案[12],有的却方枘圆凿,抵牾扞格,不能兼容在同一个框架里,这就是为什么在本章刚开始的时候,这本书的作者就要说这是写得“最犹豫”的一章。我们刚刚拿到的这些拼图碎片牵涉了长达40亿年的进化史,因此,你刚才读过的这个故事,究竟是“吹尽狂沙始到金”,还是“错把梨花比太真”,作者自己也在寤寐辗转。
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但这并不意味着这一章的讨论没有意义,科学假说不同于宗教神话,我们从来都不追求什么不刊之论,恰恰相反,让所有可能的假说悬诸日月,接受事实的拣选,在冲突与印证中逐渐完善,这是我们揭开生命起源的神秘面纱的真正方法。我们不该担忧这一章,即使本书中的想法在未来被证明是错误的。这是我们对未来的期冀,而非对异端的恐惧。
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延伸阅读阿兰·韦纳的拼图
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