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  • RNA世界假说

    RNA世界假说,英文为RNA World hypothesis,是科学依据多年的科学研究而提出的一条关于生命科学的理论。其内容为:生命进化的早期,没有蛋白质(酶),某些RNA可以催化RNA的复制——也就是说RNA是唯一的遗传物质,是生命的源头。

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    基本信息 编辑信息模块

    中文名: RNA世界假说 英文名: RNA World hypothesis
    提出时间: 1981年 提出者: 吉尔伯特

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    理论内容/RNA世界假说 编辑

    1981年度诺贝尔化学奖获得者吉尔伯特(W. Gilbert)提出了“RNA世界”的假说。它指的是“在生命起源的某个时期,生命体仅由一种高分子化合物RNA组成。遗传信息的传递建立于RNA的复制,其复制机理与当今DNA复制机理相似,作为生物催化剂的、由基因编码的蛋白质还不存在”。

    RNA由于其五碳糖2′位是羟基,化学活泼性远大于DNA,再加上其他原因,就特别容易发生突变,因此在携带遗传信息的能力方面,RNA不如DNA;RNA又由于组成没有蛋白质复杂,不可能形成如蛋白质那么多样的结构,因此在功能分子的作用方面,RNA又不如蛋白质。但RNA是唯一的既能携带遗传信息又可以是功能分子的生物高分子化合物。因此,生命发生之初,很可能是在原始海洋深处的火山口边,高温、高压的条件下,在可作为催化剂的矿物质边富集了可能是雷电中合成的原始核苷酸。经过亿万年的进化,形成了具有自我复制能力的RNA.在人工条件下,这种进化的某些过程已被成功地模拟。原始的具有自我复制能力的RNA,再在以后的亿万年进化过程中,逐渐将其携带遗传信息的功能传给了DNA,将其功能分子的功能传给了蛋白质。核糖体是核酶的发现大大支持了RNA世界的假说。

    理论背景/RNA世界假说 编辑

    体外的化学反应通常需要在高温高压下进行,体内的化学反应却能在常温常压下进行,而且效率非常高。这是由于体内有生物催化剂———酶的参与。长期以来,人们只知道酶是由蛋白质组成的。20世纪80年代初,美国科学家切赫发现RNA也可成为生物催化剂。最近,另一位美国科学家爱尔特曼也证明了这一点。切赫提出,原始的RNA分子就可以完成生命最主要的特征———繁殖过程。由于RNA催化剂的发现,切赫和爱尔特曼获得了1989年度的诺贝尔化学奖

    同年,诺贝尔化学奖获得者吉尔伯特提出了“RNA世界”的假说。它指的是“在生命起源的某个时期,生命体仅由一种高分子化合物RNA组成。遗传信息的传递建立于RNA的复制,其复制机理与当今DNA复制机理相似。此时,作为生物催化剂的由基因编码的蛋白质还不存在。”RNA是惟一的既能携带遗传信息又可以是功能分子的生物高分子化合物。因此,生命发生之初,很可能是在原始海洋深处的火山口边,在高温、高压的条件下,在可作为催化剂的矿物质周边富集了可能是由雷电中合成的原始核苷酸。亿万年的进化的过程中,形成了具有自我复制能力的RNA。在人工条件下,这种进化的某些过程,已被成功地模拟。原始的具有自我复制能力的RNA,在以后的亿万年进化过程中,逐渐将其携带遗传信息的功能传给了DNA,将其功能分子的功能,传给了蛋白质。

    科学家质疑/RNA世界假说 编辑

    大多数科学家同意,在生命的萌芽阶段,RNA(核糖核酸,其结构和基本顺序是蛋白质的合成及遗传信息的决定因素)是决定生命的首个分子。根据“RNA世界”的假说, RNA是生命初期最关键的分子,后来当DNA(脱氧核糖核酸,是细胞中带有基因信息的核酸)和蛋白质的功能远远超过最初RNA的作用时,它才退到了次要地位。

    迪默说:“在我的领域中,很多最聪明最有才华的人都相信,“RNA世界” 不仅仅是假设,而是极有可能的事。”

    c-myc RNA c-myc RNA

    RNA和DNA非常相似,每一个细胞里的RNA都发挥着诸多重要的作用,包括在DNA和蛋白质合成之间起到转移作用(转移rna),以及具有开启或闭某些基因的功能。

    但是,“RNA世界”假说无法解释rna又是怎么产生的[1]。像DNA一样,RNA也是由数千个被称为核苷酸的更小分子构成的,这些核苷酸之间以非常特定的模式连接在一起。尽管有些科学家认为RNA可能自然产生于早期的地球上,而另一些科学家却认为发生这种事情的可能性犹如天方夜谭。

    纽约大学的化学家罗伯特·夏皮罗说:“根据化学运作原理,要形成这样一种分子绝不可能。在这个领域里,这是不可能的事。要接受这个观点,除非你相信我们有难以置信的幸运。”

    应用/RNA世界假说 编辑

    RNA复制分子组成的枝杈从DNA主干处水平发散开来。这样的RNA可以在试管中展示出进化的一些基本特征。然而,对于人造生命而言,它们还需要进化出崭新功能的能力。

    杰勒德·F·乔伊斯(Gerald F. Joyce)承认,在看到这些实验结果的时候,他有一种冲动,想要暂停进一步研究,立即把这些结果发表出去。经过多年努力,他和他的学生特蕾西·林肯(Tracey Lincoln)终于发现了一对虽然短小但功能强大的RNA序列,把它们和一堆结构更简单的RNA“原料”混在一起,前者的数量会不断倍增,几小时内就能扩增至原来的10倍,而且只要有充足的原料和空间,这种扩增过程就不会停止。

    RNA结构 RNA结构

    但是乔伊斯对此并不完全满意。这位53岁的分子化学家是美国加利福尼亚州拉霍亚市斯克里普斯研究所(Scripps Research Institute)的教授兼所长,也是“RNA世界”(RNA world)假说的提出者兼拥护者之一。人们所知的生命主要基于DNA和酶类蛋白质,在绝大多数情况下,RNA不过是传递遗传信息的信使。RNA世界假说则认为,现有生命是从一个更简单的前生命化学系统进化而来的,这个系统主要、甚至完全建立在RNA之上。当然,这个想法要说得通,RNA本身就必须能够支撑进化。乔伊斯认为,或许他合成的RNA有助于证实这种可能性。因此他和林肯又多花了一年时间来研究这些分子,在它们的序列上制造种种突变,并且建立起只有适者才能生存的竞争环境。

    2009年1月,就在达尔文诞生200周年前一个月,他们在《科学》杂志上公布了研究结果。他们的微型试管系统确实表现出了达尔文进化的几乎所有本质特征。实验伊始,有24个RNA变体进行自我复制,其中一些变体在实验环境中的复制速度比其他变体更快。所有RNA分子都共享同一个“原料”池,因此每一种分子都要和其他分子竞争。复制过程并不完美,因此新的变体很快就会出现,甚至繁荣兴盛——乔伊斯把这些突变称为重组体(recombinant)。

    “我们让这一过程持续进行了100个小时,”乔伊斯回忆道,“最后观察到复制分子的总数扩增了1023倍。最初那几十种复制分子很快就消失了,重组体开始接管整个群落。”不过,没有一种重组体进化出了它们的祖先所不具备的新功能。

    RNA世界假说 RNA世界假说

    缺少了这关键的一环,人工进化就无法完全重现真正的达尔文进化。“这还算不上生命,”乔伊斯强调说,“生命能够在进化中‘开创’出全新的功能,我们还没有做到这一点。我们的目标是在实验室中制造生命,但是要实现它,我们就必须增加整个系统的复杂性,足以使它们进化出新的功能,而不只是对早已存在的旧有功能进行优化。”

    这一目标显然有可能实现,因为乔伊斯实验室中的RNA复制分子相对简单:每个分子仅拥有两个可以变化的基因样片段(genelike section)。每一个这样的“基因”都是一段短小的RNA原料。一个复制分子就是一个RNA酶,能够把两个“基因”集结并连接起来,产生一个新的微型酶,也就是这个复制分子本体的“配体”。配体被释放后,也会集结两个不受束缚的“基因”,组装后产生一个与本体相同的克隆体。如果配体不忠实于本体,把本来并不匹配的两个“基因”连接在一起,就会产生重组体。不过,这样的重组体确实无法创造出新的“基因”。如果能够营造出一个更复杂的系统,或者给每个复制分子增加更多的“基因”来增加复杂性,创造新的基因或许有可能实现。

    相关文献

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    参考资料
    [1]^引用日期:2015-11-13
    扩展阅读
    1中国基础教育网
    2新思考网
    3山东高中教育培训网
    4学术翻译网
    5中国经济网

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