結構生物化學/RNA 世界假說

RNA 世界假說推測生命起源始於核糖核酸 (RNA)，因為它能夠同時作為遺傳資訊的儲存庫和酶活性。它提出 RNA 先於目前的遺傳物質脫氧核糖核酸 (DNA)，並導致了 DNA → RNA → 蛋白質世界的進化。

有兩個學派都支援 RNA 世界假說

1. 根據基因接管假說，地球上早期生命形式以 RNA 作為其唯一的遺傳成分。這表明可能存在一個比 RNA 更早的分子，它使用 RNA 或者透過變化創造 RNA 作為副產物。

2. 地球上第一種生命形式以 RNA 作為其唯一的遺傳成分。這一理論要求 RNA 來自無機物。 ^[1]

歷史

卡爾·沃斯在 1967 年撰寫的《遺傳密碼》一書，是第一個支援 RNA 世界假說的公開出版物^[2]。弗朗西斯·克里克和萊斯利·奧格爾在 1968 年提出了 RNA 曾替代 DNA 和蛋白質工作的觀點。他們的理論直到諾貝爾獎獲得者托馬斯·R·切赫的工作才得到驗證。20 世紀 70 年代，切赫正在研究單細胞生物體四膜蟲中的 RNA 剪接，當他發現未加工的 RNA 分子可以自我剪接時。他在 1982 年宣佈了他的發現，併成為第一個證明 RNA 具有催化功能的人。隨後，哈佛大學分子生物學家、諾貝爾獎獲得者沃爾特·吉爾伯特在 1986 年評論了近期對 RNA 催化特性的觀察時，創造了“RNA 世界假說”這一短語^[3]。另一個重要的里程碑發生在 2000 年，當時《科學》雜誌發表了“核糖體是一種核酶”的文章，並指出核糖體中的蛋白質主要存在於邊緣。

理論

構成地球的原始湯包含核苷酸等化合物。這些核苷酸自發隨機排序，最終形成具有催化特性的 RNA 分子（或類似分子）。RNA 具有自催化自我複製和組裝的特性，促使其數量呈指數級增長。如今的科學家認為，在原始生命時代，複製並不完美，因此 RNA 出現了變異。RNA 的催化特性不僅適用於自身，還催化轉酯化反應，這是蛋白質合成所必需的，它允許特定的肽序列和蛋白質出現。形成的一些肽可能支援 RNA 的自我複製，並提供進行修飾的可能性。這些修飾導致了更高效的 RNA 分子序列。

尤里和米勒的實驗提出了一種形成嘌呤和嘧啶鹼基的可能模型。該實驗提供了有機分子起源於二氧化碳、氨和水等無機成分的證據。將這些產物混合在還原環境下，並用電擊（模擬閃電），導致在一段時間內產生更具反應性的分子，如氫、氰化物和醛，以及一些氨基酸和有機酸。這些氨基酸促成了肽序列的形成。

http://www.smithlifescience.com/MillersExp.htm（參見裝置）

透過對當今核糖體的功能的觀察，可以進一步證明 RNA 世界假說有說服力。RNA 是核糖體合成蛋白質並催化肽鍵形成的工具。一種稱為轉移 RNA (tRNA) 的 RNA 負責將遊離氨基酸傳遞到核糖體和生長的肽鏈。因此，這表明 RNA 是多功能的，可以作為合成器、轉運器、信使和核糖體分子。

有人可能會問，如果 RNA 是 DNA 和蛋白質的前體，那麼這種進化是如何發生的？DNA 與 RNA 序列互補，並儲存基因組資訊。由於 DNA 比 RNA 更穩定，因此 DNA 適應環境並接管 RNA 的這項工作是合理的。那麼 DNA 如何比 RNA 更穩定呢？DNA 和 RNA 的基本結構差異在於糖。DNA 含有脫氧核糖，而 RNA 含有核糖。脫氧核糖中缺少的 2'-OH 基團是 DNA 更穩定的原因，因為沒有羥基可供其他分子反應。否則，RNA 不會像 DNA 一樣保持螺旋環狀，因為核苷酸鏈很容易斷裂。科學家正在探索的另一種可能性是逆轉錄酶 (RT) 在從 RNA 到 DNA 的轉變中發揮了作用。逆轉錄酶催化從 RNA 模板形成 DNA，而 RT 是 HIV 等逆轉錄病毒的決定性特徵。RT 以及 RNA 複製酶可能是執行這種轉變的酶。此外，氰基乙醛和尿素的結合形成了尿嘧啶 (U) 和胞嘧啶 (C)——原始湯的成分。米勒的另一個實驗支援了這一觀點。目前沒有證據表明胸腺嘧啶 (T)（DNA 中的含氮鹼基，取代 RNA 中的尿嘧啶 (U)）是由這種大氣形成的。這意味著 RNA 是 DNA 的前體。此外，發現從 RNA 形成的蛋白質是多功能的結構，使它們能夠接管最初由 RNA 執行的催化功能。

支援假說的特性

20 世紀 80 年代，人們發現 RNA 可以透過與其他分子結合並摺疊成特定的結構來啟用和失活其他分子，支援 RNA 假說的特性變得更加清晰。在這一發現之前，研究人員認為 RNA 只有少數功能。此後，人們對 RNA 作為細胞生命前體進行了廣泛的研究。

以下主要證據使科學界相信 RNA 先於 DNA 和蛋白質

- RNA 能夠儲存遺傳資料，並將遺傳資訊傳遞下去。

- 它是連線 DNA 和基因形成與氨基酸和蛋白質合成的主要成分，透過轉錄和翻譯實現。

- RNA 能夠複製自身以及它攜帶的遺傳資訊，非常類似於 DNA。

- RNA 的複雜性低於 DNA，並且涉及的分子型別更少以實現自我複製。

- DNA 需要 RNA 引物才能複製，而 RNA 不需要任何這樣的引物。這表明 DNA 似乎比 RNA 更依賴於 RNA 的持續存在，而不是相反。

- RNA 能夠像蛋白質一樣催化反應。蛋白質的形成也是由 RNA 管理的，這強烈表明它先於蛋白質存在。

- RNA 能夠形成類似於 DNA 的雙螺旋結構，以及類似於催化蛋白質的三級結構。

- RNA 的結構，在糖分子的 2' 位有一個羥基，使其成為一個不太穩定的分子，只要 RNA 分子處於靈活的位置並且沒有受到限制，它就能夠攻擊附近的磷酸二酯鍵。這使其容易分解，並允許適應不同的構象，這可能對早期生命有利。

- RNA 的鹼基組成與 DNA 不同，例如尿嘧啶，它是“胞嘧啶受損的產物”，這使得 RNA 更容易發生突變，因此更適合早期原始生命。

支援 RNA 世界假說的實驗之一是米勒-尤里實驗。該實驗由斯坦利·L·米勒和哈羅德·C·尤里於 1953 年進行，旨在探究生命起源時存在哪些分子。該實驗特別檢驗了亞歷山大·奧巴林和 J.B.S.霍爾丹的假說，該假說認為，原始地球的條件有利於化學反應，將無機化合物合成有機化合物。這兩個實驗幫助世界各地的科學家更好地理解地球的演化以及有機化合物的形成過程。米勒和尤里使用的氣體有甲烷 (CH₄)、氨氣 (NH₃)、氫氣 (H₂) 和水 (H₂O)。將這些被認為存在於原始地球上的氣體放入一個封閉的玻璃容器系統中後，米勒和尤里不斷地透過系統通入電流，模擬閃電，因為閃電被認為在早期地球上非常普遍。這些化合物被放置在一個無菌的玻璃管和燒瓶陣列中，這些管和燒瓶透過一個迴路連線，其中一個燒瓶內裝滿一半液體水，另一個燒瓶內有一對電極。液體水被加熱以誘導蒸發，電極之間產生火花以模擬大氣層中穿過水蒸氣的閃電，然後冷卻大氣層，使水冷凝並以連續迴圈的方式流回第一個燒瓶。一天之內，混合物變成了粉紅色，[1] 經過一週的連續執行，米勒和尤里觀察到，系統中高達 10-15% 的碳現在以有機化合物的形式存在。2% 的碳形成了氨基酸，這些氨基酸用於在活細胞中製造蛋白質，其中甘氨酸含量最豐富。糖類和液體也形成了。核酸並沒有在反應中形成。但常見的 20 種氨基酸形成了，濃度各不相同。因此，該實驗表明，對細胞功能和生命至關重要的有機化合物在原始地球的條件下很容易形成。

在一次採訪中，斯坦利·米勒說：“僅僅在基本的前生物實驗中啟動電火花，就會產生 20 種氨基酸中的 11 種。”[2] 這進一步支援了 RNA 世界假說。

其他實驗

米勒-尤里實驗和奧巴林實驗幫助開展了其他實驗，以進一步證明有機化合物是在早期地球形成的，同時也證實了 RNA 世界假說。

1961 年，胡安·奧羅進行了一項實驗，結論是氨基酸可以由 HCN（氰化氫）和氨氣 (NH₃) 在水溶液中形成。該實驗還產生了腺嘌呤，一種核苷酸鹼基。這是一個重大突破，因為腺嘌呤是 DNA 和 RNA 中的四種鹼基之一，是細胞的遺傳物質。腺嘌呤還在 ATP（三磷酸腺苷）的能量釋放過程中使用，ATP 是細胞中的能量釋放分子。

這項實驗導致了更多研究表明，其他三種 RNA 和 DNA 鹼基可以透過類似的模擬化學環境（還原性大氣）實驗形成。

反對假說的性質

大多數反對 RNA 世界假說的人集中在消除 RNA 是第一種遺傳物質形式的想法，儘管他們確實同意可能存在某種前 RNA 形式的遺傳物質。總之

1. 核糖在原始混合物中相對不穩定，難以形成。儘管實驗室環境中提供了有利且可控的條件，但從未從無生命物質中創造出前細胞生命。

2. 生命起源大約在 3 億年前。一些人認為，這段時間太短，不足以讓原始湯演化成前 RNA 或 RNA 世界。

3. 缺乏原始地球上大量多磷酸鹽的證據，使得它不太可能是前生物能量的來源，也不太可能參與第一種遺傳物質。 ^[4]。

其他人認為 RNA 不太可能是前 DNA 形式的遺傳物質。他們的論點包括

1. RNA 的催化能力有限。理論家說 RNA 需要具有多種催化能力才能在原始世界中生存下來，但 RNA 並沒有表現出這種能力。另一方面，蛋白質透過其不同的酶促能力確實具有這些催化能力。

2. RNA 分子形成的前生物模擬表明，鹼基和糖分子在水中並不容易發生反應。

3. 反對者提倡蛋白質勝過 RNA，因為它們很容易形成。

4. 前細胞生命正確成分在同一時間和地點存在，沒有汙染，並具有正確的催化反應，這種可能性幾乎是不可能的。 ^[5]^[6]。

5. 最近的研究表明，非編碼 RNA 區域在細胞中具有良好適應的非常特殊的作用。例如，siRNA 和 miRNA——它們在 RNAi 和 mRNA 已經存在的環境中工作得很好。由於我們剛剛開始理解它們的有用性，因此原始 RNA 世界中存在“殘餘物”的可能性降低了，就像吉爾伯特在 1986 年最初提到的那樣。 ^[7]。

替代理論

RNA 形成的困難導致了其他關於細胞生命前體材料的替代理論的提出

- 肽核酸理論 (PNA)，一種具有肽鍵骨架的核酸，成為一個可能的理論，因為它克服了 RNA 理論中關於 RNA 難以將核糖和磷酸基團連線在一起的問題。

- 提出胸腺嘧啶核酸比 RNA 更可能是起始材料。

- 提出甘油核酸作為 RNA 的前體，因為它們很容易形成。

- 雙重起源理論認為，RNA 和蛋白質在同一時間獨立存在。

支援

RNA 世界假說得到 RNA 能夠儲存、傳遞和複製遺傳資訊的支援，就像 DNA 一樣。RNA 還可以充當核酶（由核糖核酸製成的酶）。因為它可以自我複製，執行 DNA 和蛋白質（酶）的功能，所以人們認為 RNA 曾經能夠獨立生活。此外，雖然在米勒-尤里的生命起源實驗中沒有發現核苷酸，但其他人（特別是瓊·奧羅）的模擬發現了核苷酸。對基本核酶（如病毒 RNA Q-beta）的實驗表明，簡單的自我複製 RNA 結構可以承受即使是強烈的選擇壓力（例如，反手性鏈終止符）（《選擇的基礎》（倫敦：施普林格，1997 年））。

此外，在過去，給定的 RNA 分子可能比現在存活更長時間。紫外線可以導致 RNA 聚合，同時分解其他可能具有催化 RNA 分解能力的有機分子（核糖核酸酶），表明 RNA 可能曾經是早期地球上的常見物質。該理論的這個方面尚未得到檢驗，並且是基於糖磷酸分子濃度的恆定。

困難

鹼基胞嘧啶沒有合理的前生物模擬方法，因為它很容易發生水解。

製造核苷酸的前生物模擬具有與製造糖類（大量甲醛）不相容的條件。因此，它們必須以某種方式合成，然後彙集在一起。然而，它們不會在水中反應。無水反應與嘌呤結合，但只有 8% 的嘌呤與糖上正確碳原子結合，並與鹼基上正確的氮原子結合。然而，嘧啶甚至在無水條件下也不會與核糖反應。

然後必須引入磷酸鹽，但在自然界中，溶液中的磷酸鹽非常稀少，因為它很容易沉澱。引入後，磷酸鹽必須與核苷結合，並且必須磷酸化正確的羥基，以形成核苷酸。

為了形成 RNA，核苷酸必須被自身啟用（這意味著它們必須與另外兩個磷酸基團結合，如三磷酸腺苷）。活化的嘌呤核苷酸在所有嘧啶 RNA 的預先存在的模板上形成小鏈。然而，這種情況不會反過來發生，因為嘧啶核苷酸沒有堆疊得很好。

此外，核糖必須全部是相同的對映異構體，因為任何錯誤手性的核苷酸都會充當鏈終止符。

A.G.凱恩斯-史密斯在 1982 年批評作家誇大了米勒-尤里實驗的含義。他認為，該實驗表明的不是核酸先於生命的可能性，而是其不可信性。他聲稱，構建核酸的過程將需要 18 個不同的條件和事件，這些條件和事件必須在數百萬年內不斷發生，才能積累所需的量。

替代假說

如上所述，同一假說的另一種版本是“前 RNA 世界”，它假設另一種核酸在 RNA 之前出現。一種候選核酸是肽核酸 (PNA)，它使用簡單的肽鍵連線核鹼基。⁵³ PNA 比 RNA 更穩定，但其在生物發生前條件下生成的可能性尚未得到實驗驗證。

赤蘚核酸 (GNA) 與 PNA 相似，也缺乏各自生物發生的實驗證據。

多環芳烴世界假說提出了另一種——或補充——RNA 起源理論，⁵⁷

鐵硫世界理論假設簡單的代謝過程在遺傳物質出現之前就已經發展起來，這些產能迴圈催化了基因的產生。

RNA 世界假說的另一種替代理論是泛種論假說。它討論了地球上最早的生命可能來自銀河系中的其他地方，可能透過類似於默奇森隕石的隕石到達地球。⁵⁸ 這並不否定 RNA 世界的概念，而是假設這個世界並非地球，而是另一個，可能更古老的星球。

RNA 世界的意義

如果 RNA 世界假說成立，它對生命的定義具有重要意義。在沃森和克里克闡明 DNA 結構後的很長一段時間裡，生命被認為主要由 DNA 和蛋白質定義：DNA 和蛋白質似乎是活細胞中占主導地位的大分子，RNA 只是在從 DNA 藍圖中建立蛋白質的過程中提供幫助。

RNA 世界假說將 RNA 置於生命起源的中心位置。在過去的十年中，許多研究表明 RNA 功能的許多重要方面之前是未知的，並支援 RNA 在生命功能中起關鍵作用的想法。在 2001 年，RNA 世界假說得到了重大的推動，因為人們破譯了核糖體的三維結構，結果表明核糖體的關鍵催化位點是由 RNA 構成的，蛋白質沒有主要的結構作用，在功能上處於次要地位。具體來說，肽鍵的形成，將氨基酸結合成蛋白質的反應，現在已知是由 rRNA 中的腺嘌呤殘基催化的：核糖體是一種核酶。這一發現表明，RNA 分子很可能能夠產生第一批蛋白質。其他證明 RNA 在簡單的信使或轉運分子之外發揮作用的有趣發現包括小核核糖核蛋白 (SnRNPs) 在真核生物中前 mRNA 加工、RNA 編輯和逆轉錄中的重要作用，以及端粒酶反應中端粒的維持。

參考資料

^ Gesteland, R.F., Cech, T.R., Atkins, J.F., 2006, RNA 世界：現代 RNA 的性質表明一個生物發生前的 RNA, Cold Spring Harbor Laboratory Press, 美國, 768 p.
^ Gilbert, W., "RNA 世界"。自然 618。
^ Altman, S. RNA 世界
^ Lazcano, A, Miller, S.L., "生命起源和早期演化：生物發生前化學、前 RNA 世界和時間" 細胞, 第 85 卷，7930798，1996 年 6 月 14 日。
^ NationMaster.com 上的 RNA 世界假說
^ ExperienceFestival 上的 RNA 世界假說
^ Eddy, S.R., "非編碼 RNA 基因和現代 RNA 世界" 自然評論：遺傳學 第 2 卷，2001 年 12 月。