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图4—75 左侧是转运RNA,右侧是转运信使RNA,红色部分是迷你螺旋,粉色部分是密码子序列,橙色部分是一段结构性的RNA,蓝色部分是一个协助转运信使RNA工作的蛋白质。(David Goodsell绘)
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但在这中规中矩的推测之外,还有一些有趣的新假说同样值得我们注意,比如在2016年,法国雷恩第一大学的分子生物学家雷纳尔德·吉莱针对信使RNA的起源问题提出了“转运信使RNA假说”,这个假说认为最初的信使RNA与转运RNA是同一个RNA,实际上,信使RNA就是转运RNA的内含子。
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同一个RNA,既是转运RNA,也是信使RNA,这听起来有些离奇,但它却拥有真实存在的证据。
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早在1979年,我们就在大肠杆菌的细胞内发现了这种奇怪的“转运信使RNA”,它的上半部分是转运RNA的小螺旋和CCA尾,能够正常携带氨基酸,下半部分却不是反密码子臂,而是一张弓,绷直了一小段单股RNA,而这段单股RNA就像信使RNA一样,是一串密码子序列。
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而且,这种RNA也兼具转运和信使的双重功能,专门负责抢救意外中断的翻译工作。
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因为蛋白质翻译系统像极了那种名叫“鲁班锁”的小玩具:信使RNA、转运RNA与核糖体的大小亚基虽然是几个独立的构件,但只要组装起来就非常结实,不按照特定的顺序一块块地拆解根本不会解体。这就是为什么标准遗传密码会有一个“终止子”,核糖体只有读到了它,才能启动一系列按部就班的收尾工作,结束翻译,把肽链、转运RNA和信使RNA全都释放出去,自己同时解体成大亚基和小亚基。所以,如果翻译工作出现了某种意外,比如终止子突变丢失,甚至信使RNA干脆断掉了,那核糖体就会在断口处不知所措,尴尬地悬置下去了。
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遇到这种情况,转运信使RNA就要大显身手了VI。如图4—76,它首先以转运RNA的身份进入核糖体,在那里把自身携带的氨基酸——通常是丙氨酸——连接在半途而废的肽链上,然后像正经的转运RNA那样向着核糖体内部移动,顺势把自己的密码子序列带进核糖体。这样一来,整个核糖体就可以根据这个密码子序列,给那个半途而废的肽链补上一个特殊的结尾了;而这个密码子序列以终止子结束,核糖体由此正常结束了翻译工作,解散成了大小亚基,释放了肽链和转运信使RNA。
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至于那个半途而废的蛋白质,它已经成了严重的残次品,不能用了,所以转运信使RNA给它续上的“特殊结尾”就是一个“销毁标志”,细胞里的蛋白酶很容易就能结合上去,及时地把这个残次品水解掉,拆成氨基酸,重新制造有用的蛋白质。
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雷纳尔德·吉莱注意到,转运RNA上那段密码子序列的位置,恰好与转运RNA的内含子的位置非常一致。而这个内含子,就是第十七章里,转运RNA成熟时必须剪掉的那个内含子,那个关系到转运RNA起源的内含子,所以,他提出了这样一幅信使RNA的起源图景VII。
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最初,迷你螺旋在进化中重复加倍,发展成了原始的转运RNA和原始的肽基转移酶中心——这兼容我们此前的一切图景。
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接着,原始的转运RNA与原始的肽基转移酶中心结合起来,开始聚合简单的肽链——大多数假说认为最初的相互作用只能制造一些随机的肽链。
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不过,想想看,那次重复加倍很可能给原始的转运RNA留下了一串冗余序列,也就是今天被细胞当作内含子剪切掉的部分,但在当时,一些特别长的冗余序列却可能与其他转运RNA交互作用,与它们末端的反密码子互补配对,提供排序的模板,就像今天在图4—76中发生的那样。
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图4—76 转运信使RNA工作原理:当信使RNA因为某种原因断裂了,最后一个转运RNA就会悬置在P位点上,残缺的肽链也无法移除,整个翻译系统因此卡死。此时,转运信使RNA就会填补到A位点上,用一段编码了“销毁标志”的序列接续在信使RNA后面。而这个有“销毁标志”的序列带有正常的终止子,翻译工作也就能够顺利结束了。你不妨与第六章里“三种工具”那一节对照一下。(作者绘)
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不同的,只是当时的“冗余序列”或者叫“密码子序列”要比今天丰富得多,核糖细胞所需的各种蛋白质,都可能写在上面,并不只有“销毁标志”而已。
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所以,转运RNA和信使RNA都来自原始转运RNA,前者在进化中剪除了内含子,专职运送氨基酸,后者在进化中失去了迷你螺旋,只管编码多肽链,而转运信使RNA就保留了原始转运RNA的基本面貌。雷纳尔德·吉莱还特别提及,今天的转运信使RNA全都携带着丙氨酸,而且它们编码的肽链也总是以丙氨酸开头和结尾,而丙氨酸恰恰是大多数假说里最早参与编码的4个氨基酸之一。
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在这个假说获得充分的讨论之前,我们姑且只将它当作一种可能性,但这个假说又有一些特殊的美感,因为它实在吻合了太多的线索。而当这些相互吻合的假说交织在一起,我们也得到了一幅至少在这本书里堪称宏大的中心法则起源图景。
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最初,地质化学作用产生了RNA的单体,它们被白烟囱里的热泳作用浓缩起来,产生了越来越长的RNA。
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在随机序列的RNA中逐渐涌现出了一些自我催化的酶RNA,它们开始自我复制,相互竞争,开始了进化的第一个阶段——单纯的RNA世界。其中,一些RNA被脂肪酸的小泡包裹起来,成为第一批细胞,或者叫原始细胞。
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之后,一些碱基序列与氨基酸的生成反应关联起来,奠定了遗传密码的雏形。3’端是反密码子的RNA发卡形成的迷你螺旋,在原始的aaRS和CCA添加酶的催化下,它们有了CCA尾,也有了与反密码子对应的氨基酸。随后,迷你螺旋经历了一次重复加倍,成为原始的转运RNA。同时,另外一些L形螺旋出于热力学的稳定性,组成了多种结构,其中就包括蛋白质翻译系统,由此,RNA上的碱基序列开始变成蛋白质中的氨基酸序列,原始细胞进化成了核糖细胞,RNA世界由此发展成了联合世界。
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再往后,我们知道更多的氨基酸加入了编码,蛋白质变得越来越复杂,很快发展成了真正的酶。它们反过来以更高的效率催化了核酸的复制与表达,让细胞向着精密和复杂大踏步前进。而其中一项最关键的变化,就是逆转录酶的出现,它们把原本储存在RNA里的基因转移到了DNA的双螺旋中,大幅提高了细胞的基因组容量和遗传的稳定性,从此,原始细胞进化成了逆转录细胞,联合世界进入了逆转录世界。
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到此为止,三元组合的中心法则已经基本落成,唯独缺失的一个环节,就是复制DNA的酶系统还没有出现,逆转录细胞的基因组总要先转录成RNA,再逆转录成DNA,才能顺利扩增。然而如我们早在第七章就已经明确的,复制DNA的酶系统是在末祖分化成细菌和古菌的过程中逐渐形成的。
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所以,要看到中心法则最终完工,我们就不得不结束这一幕的演出,前往下一幕去,看看生命要如何才能走向独立。
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[1]以色列的魏茨曼科学研究所(Weizmann Institute of Science)是世界领先的多学科研究中心,1934年创立,截至本书写成,共出现了6位诺贝尔奖得主,3位图灵奖得主。
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