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1700261380 正文里说过,耶鲁大学的阿兰·韦纳和南希·梅泽尔斯夫妇综合了许多拼图碎片般的分子生物学事实,提炼出了一个基因组标签假说。这里将要介绍其中最关键的几块碎片,它们不只与假说有关,也是展现生命活动精密调节的好例子。
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1700261382 这些碎片中的第一块藏在芜菁黄花叶病毒(Turnip yellow mosaic virus,TYMV)里。顾名思义,这种病毒会感染芜菁,也就是俗称蔓菁、盘菜、大头菜的那种根用蔬菜,使它的叶片出现黄色的斑。除此之外,它也会感染其他的芸薹属蔬菜,比如卷心菜、大白菜、小白菜、花椰菜。[13]
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1700261384 芜菁黄花叶病毒发现于20世纪50年代,是一种非常典型的RNA病毒。它的整个基因组就是一条长约6 300个碱基的单链RNA通过自我配对,这条RNA在三维空间中形成了非常复杂的结构。不过我们并不需要观察它的全部形态,如图4—52,只集中观察它的3’端末尾,就足够惊喜了。
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1700261386 看到了吗?这个病毒的3’端结构,竟然与转运RNA惊人地类似!
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1700261388 它不但有3’端的CCA尾,甚至还有缬氨酸的反密码子“CAC”。只是转运RNA的迷你螺旋由5’端和3’端互相缠绕而成,但芜菁黄花叶病毒的5’端延抻出去编码基因了,所以只能靠3’端单枪匹地制造这个迷你螺旋。于是,这个3’端像小麻花似的扭了一圈,硬是凑出了酷似迷你螺旋的结构。这个结构乍看很像打结,却又没有彼此穿过,不能真的系紧,所以在RNA的形态研究中被叫作“假结”。
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1700261390 事实证明,这个“转运RNA样结构”和真的转运RNA一样好用。芜菁黄花叶病毒一旦在细胞内大量复制,缬氨酸的aaRS就会把病毒的转运RNA样结构当作真的转运RNA,在它们的CCA尾上连接一个缬氨酸,结果真正的转运RNA就得不到足够的缬氨酸,正常的蛋白质翻译工作因此缺乏原料,于是,叶片就发黄了,斑斑驳驳的。XXIII
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1700261392 可是,芜菁黄花叶病毒为什么要在3’端长出这样一个转运RNA样结构,和细胞争夺缬氨酸呢?
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1700261394 因为只有给假结带上这个缬氨酸,芜菁黄花叶病毒才能迅速地复制,扩大感染,否则,如果那个转运RNA样结构发生了什么突变,抢不到足够的缬氨酸,病毒的扩增速度就会大幅减缓,甚至无法形成感染。不过另一方面,人工编辑那个转运RNA样结构,把它们改成结合甲硫氨酸,新的芜菁黄花叶病毒也仍然能够感染大白菜,所以它们有可能只是必须结合一种氨基酸,而与具体是哪种氨基酸关系不大。XXIV
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1700261399 图4—52 左侧是缬氨酸转运RNA的二三级结构,右侧是芜菁黄花叶病毒3’端的二三级结构。(作者绘)
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1700261401 芜菁黄花叶病毒当然不是孤例,从20世纪70年代开始,人们陆续发现,一大批专门感染植物的RNA病毒都有这个转运RNA样结构,虽然未必都有完整的反密码子,但通过各种假结的堆叠,形状上都与真正的转运RNA非常类似,都能骗得细胞把氨基酸交给它们——除了缬氨酸,苏氨酸和组氨酸也是RNA病毒努力争夺的氨基酸。
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1700261403 而且,这些病毒的转运RNA样结构也往往与它们的复制能力有关。比如烟草花叶病毒,就是这一幕引文里的那种病毒,就必须要有这个结构才能顺利地结合RNA复制酶,如果把烟草花叶病毒的转运RNA样结构安装到一般的信使RNA上,这个信使RNA的表达效果竟然会增强100倍!XXV
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1700261405 不仅如此,细胞内部有很多“RNA外切酶”,它们会从两端开始,将所有来源不明的RNA粉碎掉,而这个转运RNA样结构同样是破解之道。转运RNA样结构只要连接上氨基酸,另外一类被称为“延伸因子”的蛋白质就会结合上去,包住病毒仿造的迷你螺旋,它们的本职工作是协助完全成熟的转运RNA进入核糖体,加快翻译的速度,但在此时,它们成了病毒3’端的保护套,可以阻止细胞内的RNA外切酶攻击这个病毒。
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1700261410 图4—53 另外3种单链RNA病毒的转运RNA样结构的二级结构示意图,它们在三维空间里折叠起来之后都能利用aaRS,给自己的CCA尾增添氨基酸。(作者绘)
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1700261412 看到这里,读者或许会问:基因组标签假说谈论的是半个转运RNA可以引导复制,但这些病毒的转运RNA样结构却酷似一个完整的转运RNA,这岂不是有些矛盾吗?这就引出了一个有趣的事实:早在20世纪90年代,我们就发现这些转运RNA样结构只需要假结那一半就能从aaRS那里骗来氨基酸,这与转运RNA只需迷你螺旋那一半就能与aaRS作用是一模一样的。XXVI
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1700261414 所以,如果说转运RNA样结构与转运RNA一样古老,经历过一样的进化,这并不是什么不可能的事情。毕竟我们早就说过,RNA病毒是非常古老的病毒,保不齐就是RNA世界的孑遗。但是,这“一样的进化”究竟是怎样的进化呢?
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1700261416 直观地看,一种可能是“拟态”,就像眉兰的花朵进化得酷似雌蜂,可以诱骗雄峰前来传粉那样,病毒的3’端本来与转运RNA没有任何关系,但是3’端长得越像转运RNA,就越能诱骗aaRS,捞到额外的复制优势。所以早在迷你螺旋刚刚出现的时候,这些病毒的3’端就进化成了假结来占便宜,后来迷你螺旋进化成了转运RNA,这些假结也亦步亦趋,跟着进化成了转运RNA样结构。
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1700261421 图4—54 蓝色的就是延伸因子,红色的是转运RNA。延伸因子包裹在迷你螺旋上,促进转运RNA进入核糖体。黄色的是1分子GTP,是我们在前两幕里多次提及的另一种能量通货,它将在转运RNA进入核糖体的时候释放能量,保证转运RNA能与信使RNA精确匹配。这里涉及一些“能量”与“正确”的问题,本书的增章会讨论这类事情。(David Goodsell绘)
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1700261423 相对的,另一种可能是“平行”,就像牛和马的祖先都有蹄子,它们一直都在同样的草原上奔跑,所以也一直都有类似的蹄子。或许,当初的RNA世界本来就既有迷你螺旋又有假结,它们从那时起就在共享原始的aaRS。后来,迷你螺旋被细胞征用,进化成了转运RNA,假结却成了病毒的工具,进化成了转运RNA样结构,但它们一直都在利用aaRS,所以一直保持着形态上的高度一致。
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1700261425 如果只看这种现象本身,那么“拟态”的确是最合理的解释,因为拟态作为极致的伪装,的确是生存竞争中极其常用的伎俩,我们可以在今天的世界里找到数不清的案例。但我们又不能只看这种现象本身,还有其他密切联系的碎片同样正摆在我们面前。
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1700261427 第二块碎片,藏在发霉的面包里。
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1700261429 粉红面包霉菌(Neurospora crassa)是1843年在法国巴黎的一家面包店里发现的,被它们感染的面包会迅速蔓延起蓬松、粉嫩、好像猪肉松一样的菌丝,对于19世纪的欧洲人来说,这样的面包反正是不能吃了,得赶紧丢掉,免得污染了那些新鲜的面包。但是到了20世纪,这些霉菌却成了实验室里的宝贝。因为它们生长迅速,而且菌丝都是单倍体,没有显性基因遮盖隐性基因的麻烦,正是研究基因与性状的良好模型,所以直到今天,它们都是遗传学和细胞生物学上相当重要的模式生物。
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