RNA世界假說

RNA世界假說，英文為RNA World hypothesis，是科學依據多年的科學研究而提出的一條關於生命科學的理論。其內容為：生命進化的早期，沒有蛋白質（酶），某些RNA可以催化RNA的複製——也就是說RNA是唯一的遺傳物質，是生命的源頭。

基本介紹

• 中文名：RNA世界假說
• 外文名：RNA World hypothesis
• 提出時間：1981年
• 提出者：吉爾伯特

理論內容

1981年度諾貝爾化學獎獲得者吉爾伯特（W. Gilbert）提出了“RNA世界”的假說。它指的是“在生命起源的某個時期，生命體僅由一種高分子化合物RNA組成。遺傳信息的傳遞建立於RNA的複製，其複製機理與當今DNA複製機理相似，作為生物催化劑的、由基因編碼的蛋白質還不存在”。

RNA由於其五碳糖2′位是羥基，化學活潑性遠大於DNA，再加上其他原因，就特別容易發生突變，因此在攜帶遺傳信息的能力方面，RNA不如DNA；RNA又由於組成沒有蛋白質複雜，不可能形成如蛋白質那么多樣的結構，因此在功能分子的作用方面，RNA又不如蛋白質。但RNA是唯一的既能攜帶遺傳信息又可以是功能分子的生物高分子化合物。因此，生命發生之初，很可能是在原始海洋深處的火山口邊，高溫、高壓的條件下，在可作為催化劑的礦物質邊富集了可能是雷電中合成的原始核苷酸。經過億萬年的進化，形成了具有自我複製能力的RNA.在人工條件下，這種進化的某些過程已被成功地模擬。原始的具有自我複製能力的RNA,再在以後的億萬年進化過程中，逐漸將其攜帶遺傳信息的功能傳給了DNA，將其功能分子的功能傳給了蛋白質。核糖體是核酶的發現大大支持了RNA世界的假說。

理論背景

體外的化學反應通常需要在高溫高壓下進行，體內的化學反應卻能在常溫常壓下進行，而且效率非常高。這是由於體內有生物催化劑———酶的參與。長期以來，人們只知道酶是由蛋白質組成的。20世紀80年代初，美國科學家切赫發現RNA也可成為生物催化劑。最近，另一位美國科學家愛爾特曼也證明了這一點。切赫提出，原始的RNA分子就可以完成生命最主要的特徵———繁殖過程。由於RNA催化劑的發現，切赫和愛爾特曼獲得了1989年度的諾貝爾化學獎。

同年，諾貝爾化學獎獲得者吉爾伯特提出了“RNA世界”的假說。它指的是“在生命起源的某個時期，生命體僅由一種高分子化合物RNA組成。遺傳信息的傳遞建立於RNA的複製，其複製機理與當今DNA複製機理相似。此時，作為生物催化劑的由基因編碼的蛋白質還不存在。”RNA是惟一的既能攜帶遺傳信息又可以是功能分子的生物高分子化合物。因此，生命發生之初，很可能是在原始海洋深處的火山口邊，在高溫、高壓的條件下，在可作為催化劑的礦物質周邊富集了可能是由雷電中合成的原始核苷酸。億萬年的進化的過程中，形成了具有自我複製能力的RNA。在人工條件下，這種進化的某些過程，已被成功地模擬。原始的具有自我複製能力的RNA，在以後的億萬年進化過程中，逐漸將其攜帶遺傳信息的功能傳給了DNA，將其功能分子的功能，傳給了蛋白質。

科學家質疑

大多數科學家同意，在生命的萌芽階段，RNA（核糖核酸，其結構和基本順序是蛋白質的合成及遺傳信息的決定因素）是決定生命的首個分子。根據“RNA世界”的假說， RNA是生命初期最關鍵的分子，後來當DNA（脫氧核糖核酸，是細胞中帶有基因信息的核酸）和蛋白質的功能遠遠超過最初RNA的作用時，它才退到了次要地位。

迪默說：“在我的領域中，很多最聰明最有才華的人都相信，“RNA世界” 不僅僅是假設，而是極有可能的事。”

RNA和DNA非常相似，每一個細胞里的RNA都發揮著諸多重要的作用，包括在DNA和蛋白質合成之間起到轉移作用（轉移rna），以及具有開啟或閉某些基因的功能。

c-myc RNA

但是，“RNA世界”假說無法解釋rna又是怎么產生的。像DNA一樣，RNA也是由數千個被稱為核苷酸的更小分子構成的，這些核苷酸之間以非常特定的模式連線在一起。儘管有些科學家認為RNA可能自然產生於早期的地球上，而另一些科學家卻認為發生這種事情的可能性猶如天方夜譚。

紐約大學的化學家羅伯特·夏皮羅說：“根據化學運作原理，要形成這樣一種分子絕不可能。在這個領域裡，這是不可能的事。要接受這個觀點，除非你相信我們有難以置信的幸運。”

套用

RNA複製分子組成的枝杈從DNA主幹處水平發散開來。這樣的RNA可以在試管中展示出進化的一些基本特徵。然而，對於人造生命而言，它們還需要進化出嶄新功能的能力。

傑勒德·F·喬伊斯（Gerald F. Joyce）承認，在看到這些實驗結果的時候，他有一種衝動，想要暫停進一步研究，立即把這些結果發表出去。經過多年努力，他和他的學生特蕾西·林肯（Tracey Lincoln）終於發現了一對雖然短小但功能強大的RNA序列，把它們和一堆結構更簡單的RNA“原料”混在一起，前者的數量會不斷倍增，幾小時內就能擴增至原來的10倍，而且只要有充足的原料和空間，這種擴增過程就不會停止。

但是喬伊斯對此並不完全滿意。這位53歲的分子化學家是美國加利福尼亞州拉霍亞市斯克里普斯研究所（Scripps Research Institute）的教授兼所長，也是“RNA世界”（RNA world）假說的提出者兼擁護者之一。人們所知的生命主要基於DNA和酶類蛋白質，在絕大多數情況下，RNA不過是傳遞遺傳信息的信使。RNA世界假說則認為，現有生命是從一個更簡單的前生命化學系統進化而來的，這個系統主要、甚至完全建立在RNA之上。當然，這個想法要說得通，RNA本身就必須能夠支撐進化。喬伊斯認為，或許他合成的RNA有助於證實這種可能性。因此他和林肯又多花了一年時間來研究這些分子，在它們的序列上製造種種突變，並且建立起只有適者才能生存的競爭環境。

RNA結構

2009年1月，就在達爾文誕生200周年前一個月，他們在《科學》雜誌上公布了研究結果。他們的微型試管系統確實表現出了達爾文進化的幾乎所有本質特徵。實驗伊始，有24個RNA變體進行自我複製，其中一些變體在實驗環境中的複製速度比其他變體更快。所有RNA分子都共享同一個“原料”池，因此每一種分子都要和其他分子競爭。複製過程並不完美，因此新的變體很快就會出現，甚至繁榮興盛——喬伊斯把這些突變稱為重組體（recombinant）。

“我們讓這一過程持續進行了100個小時，”喬伊斯回憶道，“最後觀察到複製分子的總數擴增了1023倍。最初那幾十種複製分子很快就消失了，重組體開始接管整個群落。”不過，沒有一種重組體進化出了它們的祖先所不具備的新功能。

缺少了這關鍵的一環，人工進化就無法完全重現真正的達爾文進化。“這還算不上生命，”喬伊斯強調說，“生命能夠在進化中‘開創’出全新的功能，我們還沒有做到這一點。我們的目標是在實驗室中製造生命，但是要實現它，我們就必須增加整個系統的複雜性，足以使它們進化出新的功能，而不只是對早已存在的舊有功能進行最佳化。”

RNA世界假說

這一目標顯然有可能實現，因為喬伊斯實驗室中的RNA複製分子相對簡單：每個分子僅擁有兩個可以變化的基因樣片段（genelike section）。每一個這樣的“基因”都是一段短小的RNA原料。一個複製分子就是一個RNA酶，能夠把兩個“基因”集結並連線起來，產生一個新的微型酶，也就是這個複製分子本體的“配體”。配體被釋放後，也會集結兩個不受束縛的“基因”，組裝後產生一個與本體相同的克隆體。如果配體不忠實於本體，把本來並不匹配的兩個“基因”連線在一起，就會產生重組體。不過，這樣的重組體確實無法創造出新的“基因”。如果能夠營造出一個更複雜的系統，或者給每個複製分子增加更多的“基因”來增加複雜性，創造新的基因或許有可能實現。