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Nature:生命起源于“RNA世界”

Nature:生命起源于“RNA世界”

日前,来自芝加哥大学的科学家们在《自然》(Nature)杂志上报告称, RNA 是控制基因表达的分子机器——剪接体的重要功能元件。这一研究发现确立了是 RNA ,而非蛋白质,负责催化了这一基础生物学过程,丰富了地球上的生命起源于仅以 RNA 为基础的世界(RNA world hypothesis)这一假说。

研究的共同通讯作者、芝加哥大学分子遗传学和细胞生物学副教授 Jonathan Staley 博士说:“真核基因表达的三个重要过程,其中有两个——剪接和翻译现在被证实是由 RNA 催化。真核基因表达信号通路与其说是一条基于蛋白质的信号通路,不如说是一条基于 RNA 的信号通路。”

为了实现基因表达,必须将 DNA 翻译为蛋白质,这些结构和功能分子催化了生命所需的化学反应。为此,储存在 DNA 中的遗传信息首先会被复制到信使 RNA (mRNA)链中,随后这些 mRNA 被用于制造蛋白质。

在真核生物中,几乎所有的基因都进行选择性剪接, mRNA 前体按许多不同的组合进行切割再连接到一起。这显著地增加了单个基因编码的蛋白质数量,被认为是导致高等生物体大量复杂性的原因。剪接是一个至关重要的生物学机制——至少15%的人类疾病是由于剪接错误所致。

剪接体是由蛋白质和短非编码 RNA 片段构成,其通过催化作用来完成剪接。在生物过程中催化作用通常被认为是以蛋白质为基础的酶所为。然而,以往的研究则提示对之负责的有可能是剪接体中的 RNA 。尽管经历了数十年的研究,到目前为止这一问题仍未获得答案。

为了解答这一问题,Staley 和芝加哥大学生物化学、分子生物学和化学教授 Joseph Piccirilli,与论文的共同主要作者、研究生 Sebastian Fica 及 Nicole Tuttle 展开了合作。

研究人员首先使得剪接体丧失了自我纠正剪接错误的能力。随后他们改变了剪接过程中已知被切割的 mRNA 前体位点上的单个原子,以及被猜测对催化作用极其重要的剪接体 RNA 亚基——U6 上的几个原子。其中的一些改变导致了剪接不力。他们仔细检测并系统解救了这一功能丧失,调查了个别及组合位点。由此探究了对于剪接功能至关重要的位点,确定了U6和 mRNA 前体之间的联系。

研究小组发现,U6 RNA 亚基直接控制了催化功能——有效地发挥了剪接体的刀片作用。这是第一个实验证据证明, RNA 是这一关键生物机制的重要功能组件。

他们还发现剪接体 RNAs 与II型内含子(一种进化上古老的自剪接、催化 RNA 类型,存在于生命的所有主要分支中)在结构和功能上存在显著的相似之处。他们认为这表明了这两种以 RNA 为基础的剪接催化因子共享了共同的进化起源,提供了进一步的证据表明,包括剪接体和核糖体在内的重要现代 RNA -蛋白质复合体都从 RNA 世界进化而来。

Piccirilli 说:“在现代生命中,蛋白质酶催化了大多数的生物反应。这一研究结果发现像剪接体这样的,蛋白质组成多于 RNA 的系统利用了 RNA 进行催化作用,其分子祖先完全是由 RNA 构成,表明剪接体的反应中心有可能是来自‘ RNA 世界’的一个分子化石。”

RNA世界学说

RNA世界学说(英语:RNA world hypothesis)是一个理论,认为地球上早期的生命分子以RNA先出现,之后才是DNA。且这些早期的RNA分子同时拥有如同DNA的遗传讯息储存功能,以及如蛋白质般的催化能力,支持了早期的细胞或前细胞生命的运作。

关于独立的RNA生命型态概念,是在1968年由卡尔·沃斯(Carl Woese)所著的《遗传密码》(The Genetic Code)一书中所建立。此外亚历山大·里奇(Alexander Rich)也曾于1963年提出类似想法。“RNA世界”一词则是由诺贝尔奖得主沃特·吉尔伯特(Walter Gilbert)于1986年提出,是依据现今RNA具有各种不同型态的催化性质所做的推论。


原文检索:

Sebastian M. Fica, Nicole Tuttle, Thaddeus Novak, Nan-Sheng Li, Jun Lu, Prakash Koodathingal, Qing Dai, Jonathan P. Staley & Joseph A. Piccirilli. RNA catalyses nuclear pre-mRNA splicing. Nature, 6 November 2013; doi:10.1038/nature12734

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