Nature：基因也許不那么自私

日期：2012-10-19 07:53:22

地球的生命起源一直是個(gè)重大的不解之謎。一項(xiàng)新研究提出，初始化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生命物質(zhì)是分子間相互協(xié)作的結(jié)果。從狼群狩獵，到細(xì)胞發(fā)揮功能，生命的各個(gè)層面都離不開協(xié)作。在17日Nature網(wǎng)站上發(fā)表的文章中，Vaidya等人展示了RNA裝配的自發(fā)性協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，提出生命起源于分子間的自發(fā)協(xié)作。文章主要對(duì)三個(gè)RNA片段的協(xié)作環(huán)路進(jìn)行了詳細(xì)描述，數(shù)據(jù)顯示可能還存在更大的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)代生物的分子構(gòu)架有明確的分工：核酸分子DNA和RNA主要負(fù)責(zé)遺傳信息儲(chǔ)存和處理，蛋白則負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)和代謝。而地球早期的原始生命缺乏DNA和蛋白，只依賴RNA進(jìn)行遺傳和代謝。當(dāng)時(shí)“RNA世界”的基石就是RNA分子的自我復(fù)制，這包括發(fā)生突變并向更有效的復(fù)制演化。

這些自我復(fù)制的RNA堪稱原始版的自私基因，它們又是如何在早期地球上出現(xiàn)的呢？近來已有研究展示了核苷酸累積并聚合成為短鏈RNA的過程，的確，即使是非常短的RNA也能執(zhí)行化學(xué)反應(yīng)（RNA酶或者核酶）。但自我復(fù)制所需的核酶更長更復(fù)雜，這樣的核酶又是在何時(shí)以怎樣的形式產(chǎn)生的呢？這就陷入了先有雞還是先有蛋的悖論。

Vaidya及其同事所提出的策略，恰好能回答上述問題。這項(xiàng)研究的基礎(chǔ)是一個(gè)30年前提出的理論，該理論認(rèn)為自我復(fù)制的RNA除了單純復(fù)制自身以外，還會(huì)通過超循環(huán)hypercycles對(duì)其他復(fù)制子起作用。研究人員發(fā)現(xiàn)固氮弧菌Azoarcus的核酶在被片段化后可以自我組裝。而且如果使這些RNA片段發(fā)生突變，那么突變片段不僅可以組裝，還會(huì)彼此作用形成協(xié)調(diào)的組裝環(huán)路，就像理論中的超循環(huán)一樣。

關(guān)鍵是，參與協(xié)作環(huán)路的RNA更有優(yōu)勢，使其能夠勝過單純的自我復(fù)制循環(huán)。研究顯示，協(xié)作可以使四個(gè)不同RNA片段裝配成為更長的核酶，即小RNA分子能夠通過協(xié)作形成長而復(fù)雜的RNA分子。

那么早期地球上的隨機(jī)RNA鏈?zhǔn)窃鯓有纬蓞f(xié)作網(wǎng)絡(luò)的呢？在目前這項(xiàng)研究中，所有的RNA鏈都來自于固氮弧菌核酶的加工片段。這就引出了兩個(gè)問題，如果固氮弧菌核酶片段上的突變太多是否會(huì)影響到RNA的組裝，另外如果存在許多不相關(guān)甚至相互干擾的RNA片段能否依然形成RNA協(xié)作網(wǎng)絡(luò)。

地球生命起源的確切分子事件也許已經(jīng)遺失在歷史的長河中，不過科學(xué)能夠通過模擬再現(xiàn)古代分子，分析非生命物質(zhì)向生命物質(zhì)轉(zhuǎn)化的可能途徑。Vaidya及其同事的研究展現(xiàn)了生命起源時(shí)期的分子協(xié)作，這一機(jī)制告訴我們也許地球上的第一個(gè)基因并非那么自私。至于協(xié)作網(wǎng)絡(luò)如何產(chǎn)生，該網(wǎng)絡(luò)帶來的復(fù)雜性是否一定使復(fù)制更有效，這些問題還有待進(jìn)一步的深入研究。