进化生物学课程论文 RNA的起源

本科生课程论文

论文题目关于生命起源于RNA 的研究

完成时间2016年1月4日 课程名称进化生物学

任课老师 赵勉 专业生物技术

年级2012级

关于生命起源于RNA的研究

摘要生命起源于RNA世界是目前生命起源的一个广为流行的观点，在现存的生命现象中存在大量的所谓“化石”证据。本文旨在综合各项从生命现象中心法则、基因组结构、RNA 的生物学功能、DNA合成等方面的研究，探讨分析RNA现存的广泛功能及作为生命起源的证据。

关键词：生命起源 RNA世界

一、RNA世界学说

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。米勒曾提出：“生命和非生命之间最基本的差别就是复制”。大多数生物细胞靠DNA的自我复制在细胞世代间传递遗传信息，DNA将遗传信息转录给RNA，以RNA为模板翻译成蛋白质，包括各种酶类。但少数RNA病毒靠RNA自我复制传递遗传信息；某些RNA也可以在一定条件下充当酶（核酶，ribozyme）的角色，催化蛋白质合成，还能催化新的RNA（rRNA、tRNA和mRNA）合成；核酶对RNA的剪切和短链RNA的聚合也有催化作用。由于RNA有多重功能，现在多数学者认为地球上出现的第一批基因和酶，不是DNA和具有催化功能的蛋白质，而是在非生物世界中能开始自我复制的短链RNA。实验也证实核苷酸单体在黏土表面可形成短链RNA分子，新合成的RNA分子还可与原始RNA分子互补配对。人们推测某些混合的核苷酸单体，，可自发结合成短链RNA，短链RNA作为第一基因，又以自身编码的信息为模板，依靠RNA的催化功能进行自我复制，这种以RNA同时作为第一个基因和唯一具有催化功能的分子的学说，被称为“RNA世界假说”。“RNA世界”一词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。

二、生命起源于RNA世界的现存证据

1遗传信息的传递中心

中心法则阐明了现存生命形式中遗传信息传递的规律。多数生命形式特别是高等生命形式是以DNA为遗传信息载体的，通过转录将遗传信息传递给RNA，再由RNA指导蛋白质合成，蛋白质通过其特定的生物学功能，反映出特定的碱基排列顺序所编码遗传信息的物理化学意义。在某些低等的病毒中还存在从RNA到DNA的逆转录形式，中心法则因此被修正为“广义中心法则”。可以看出，在生命形式的进化发展过程中，只有RNA才具有既联系DNA同时又联系蛋白质的能力，DNA分子和蛋白质之间并不存在直接的联系，但RNA与蛋白质形成的核糖核蛋白体是最基本的细胞器，RNA作为更为古老的大分子，应当早于DNA和蛋白质分子出现于原始地球。随着生物物种的不断进化，生物多样性和物种的稳定性相互矛盾地运动，使得容易变异、结构和功能简单的RNA分子无法继续扮演原有的角色，随之将其遗传信息载体的功能赋予了具有更加稳定的分子结构和复制机制的DNA，而将其具有的催化及其他生物功能交付于更具结构多样性的蛋白质去完成。RNA通过联系DNA和蛋白质，广泛地控制着遗传信息的传递、流向以及表达，不但给自己在生命形式中留有一席之地，而且继续充当重要的角色[1]。

2简单的基因组结构

根据由简单到复杂的演化规律，作为现存生命最简单形式的病毒，可能是低等古老的生

命类群。现存病毒中RNA病毒类型众多，DNA病毒种类相对较少。比较它们的基因组结构，RNA病毒基因组比较简单，多为一个读码框，编码一个由多个蛋白单位组成前体蛋白，前体蛋白被剪切成功能蛋白;DNA病毒一般有多个读码框，往往含有基因重叠现象，而且有调控序列。这反映了RNA病毒基因组结构的简单性，编码蛋白只是满足病毒生活史的最低要求;而DNA病毒有着更为复杂的基因组结构，编码的蛋白也有了更多的功能分化。另外从分子结构上看，DNA有着更为精细的组织结构，其结构的复杂性可从染色体的四级结构上略见一斑，而RNA只是一种组成单一、结构简单的单链分子。另外，相对于RNA,DNA复制有着更加完善的复制系统和防止变异的“纠错”机制，而RNA合成的体系相对简单，RNA复制酶因没有校对功能，使RNA病毒具有更高的变异性，这种变异性正好为生物多样性的建立奠定了内在机制。从基因组结构上看，类病毒是最简单的RNA病毒，而逆转录病毒应当是高等的RNA病毒。

3广泛的生物学功能

作为古老分子，RNA功能的多样性远超过DNA。虽然RNA遗传信息载体的功能被DNA取代，生命执行功能(包括催化)“让位”于蛋白质，但其功能的多样性仍然延续到现存的生命形式中，例如:DNA合成中RNA引物保证DNA分子能够完成半保留复制;端粒酶中RNA分子保证DNA分子复制的完整性;snRNA通过参与RNA的后加工，决定外显子的完整拼接;通过mRNA, tRNA , rRNA等直接参与蛋白质表达;通过micRNA及RNAi等小分子形式调控功能性基因的表达(或沉默)[2]。此外，除了作为RNA合成的原料外，生物体中广泛存在着功能性的核昔酸小分子。令人吃惊的是，这些小分子都是以核昔酸作为原料而非脱氧核昔酸，如作为辅酶或辅基参与代谢的NADP、FAD,CoA等，能量通用货币ATP，参与代谢的GTP,UDPG，典型的细胞信号分子cGMP, cAMP等等。这间接反映出RNA及各种单体形式曾经作为占主导地位的分子形式存在于生命起源的某一时期，致使其中的一些未被替代的功能分子遗留到现在，成为从RNA世界继承下来的“活化石”。

4 DNA合成依赖于RNA

经典生物化学研究揭示，DNA合成以RNA以及核糖核昔酸的存在为前提条件。由于DNA 聚合酶没有合成的起始功能，DNA链的合成需要RNA引物提供可延长的3'-OH末端。作为DNA 合成原料dNTP(脱氧核昔三磷酸)，又是经过还原酶催化，在NDP水平上(即核昔二磷酸)脱氧转化而来[3]。这与原始地球上化合物都以氧化态的形式存在的事实相吻合，先存在核糖，后出现脱氧核糖。在碱基组成上，DNA只有4种碱基，RNA却含有多种碱基形式，即使构成DNA的T，可以认为是构成RNA的U通过甲基化作用转化而来，而甲基化作用在生物界是非常普遍的现象[4],DNA的4种碱基是环境对遗传分子稳定性要求选择的结果，是从RNA多种形式的碱基进化而来。

三、关于核糖体的研究支持生命起源的“RNA世界”模型

核糖体是将所有的生命中的遗传信息翻译成蛋白质的分子工厂，首次得到的原子分辨率的一个大的核糖体子单位(ribosomal subunit)的结构图展示了一些出人意料的细节，增强了对地球上生命起源的“RNA世界”模型的支持。《科学》杂志上有两篇研究文章，一篇报告和一篇研究评述描述了这一结构，以及其深远的意义。

长期从事核糖体研究的科学家Peter B. Moore和Thomas A. Steitz以及他们的同事们报告了来自嗜盐细菌Haloarcula marismortui上的一个大的核糖体子单位的分辨率为2.4埃的完整的原子结构。这一子单位包括两个核糖体RNA(rRNA)分子和31个蛋白质。这些研究人员发现rRNA域(domain)象核糖体中的3维拼图玩具的组成部分那样互琐，从而构成一个单一的实体。伴随的球状蛋白质在核糖体外部围绕着rRNA，有些蛋白质的奇形怪状的延伸进入到核糖体的实体中。但核糖体上的活性部位(active sites)--那些催化蛋白肽链形成的地方--只包括rRNA[5]。研究人员们说，核糖体蛋白质本身似乎不参与将遗传信息变成蛋