对RNA世界假说产生重要影响的研究

对RNA世界假说产生重要影响的研究

2016年08月21日讯 在PNAS发表的一篇论文中，来自斯克里普斯研究所的科学家，利用体外进化，制备了一种改进的聚合酶核酶，能合成多种功能性的、结构化的RNA，并扩增短的RNA模板。

RNA自我复制的RNA世界假说的一个重要组成部分，但是，在实验室里生成能够合成、复制、扩增具有复杂结构的功能性RNA分子的核酶，已被证明是很困难的。直到现在，I类RNA聚合酶核酶最成功的变种，即使对它们偏爱的模板--具有高浓度嘧啶的短的、简单的RNA序列--也能起有效作用。

伊利诺伊大学香槟分校的Scott Silverman没有参与这项研究，但是他说：“这项研究扩展了RNA进行RNA聚合的能力，这在以前是没有实现过的。这绝对是理解‘RNA聚合酶能做些什么’领域的一个关键进步，对于RNA世界理论有相当重要的影响。”

研究的合作者、斯克里普斯研究所的Gerald Joyce和David Horning开始于I类RNA聚合酶核酶的一个变体。他们在其整个序列中引入随机突变，以产生100兆个变种。然后，Joyce和Horning通过促使核酶完成RNA适配体--与一种合成维生素B12或GTP结合的分子，向这个群体施加压力。每一轮，研究人员都会选择的核酶，能够生产功能性的产品、正确长度的产品、或两者兼有。

研究人员通过要求核酶在较短时间内合成更长的RNA分子，增加了连续世代的选择严格性。在第二十四轮，该群体可以合成富含嘌呤的、功能性的RNA序列。

从这个群体中，Horning和Joyce分离出了核酶的一个变型，称为24-3，它有17个突变。24-3聚合酶使用所有四个碱基，能比起始聚合酶更快的发挥作用。它能够复制多种具有复杂二级结构的功能性RNA，包括适体、其他核酶和酵母转移RNA（tRNA）。研究人员发现，在只有RNA的PCR版本中，24-3也能以系数方式扩增短的RNA模板。

英国MRC分子生物学实验室的Philipp Holliger，没有参加这项工作，在给The Scientist写的一封电子邮件中他写道：“这真的是一项完美的工作，也是向‘实现RNA自我复制’迈出的重要一步。”

密苏里大学的Donald Burke-Agüero也没有参与这项研究，他说：“Horning和Joyce的这项工作，是迈出的精彩一步。它使我们更接近于有一个RNA复制系统，可以维持RNA的复制。”

然而，24-3聚合酶核酶不能复制自身。虽然与早期聚合酶核酶合成的产物相比，酵母tRNA是高度结构化的和比较大的，但是24-3核酶比酵母tRNA大三倍，并包含更复杂的结构要素。

Joyce、Horning和他的同事们正在进行体外进化实验，来克服这一局限性。研究人员说，严格的选择标准应促使核酶更有效地生产更大的、更复杂的功能性产品，然而目前还不清楚要多少试管世代，才能实现这一切。

同时，Joyce指出了“研究一种自我复制核酶”在进化生物学研究中的应用。Joyce说：“如果你有一种RNA酶是RNA复制酶，可以以系数方式复制RNA，包括自身的副本，然后我会说它是活的。那么，它是由进化决定的。”

怎样认识DNA RNA 和 蛋白质 的共线性关系？

是生物特有的重要的大分子化合物，广泛存在于各类生物细胞中，“种瓜得瓜，种豆得豆”的遗传现象即源于核酸上所携带的遗传信息。核酸的组成单位——核苷酸（nucleotides）还是生物体各种生物化学成分代谢转换过程中的能量“货币”（如ATP），而具有传递激素及其他细胞外刺激的化学信号能力的环化核苷酸（如cAMP），被誉为生物体的第二信使，并且核苷酸还是一系列酶的辅助因子和代谢中间体。因此，核酸及其组成单位在生物的个体发育、生长、繁殖、遗传和变异等生命过程中起着重要的作用。1953年，Watson和Crick建立了DNA分子双螺旋结构模型，被认为是20世纪在自然科学中的重大突破之一。它揭开了分子生物学研究的序幕，尤其是DNA重组技术及DNA测序技术的出现，使生命科学成为自然科学中最为引人注目的领域。核酸的研究成果启动了分子生物学的突破性的进程，从此生命现象和生命过程的研究开始全面进入分子水平。

通过本章的学习，了解核酸的基础知识，包括核酸的种类，在细胞内的分布及其生物学功能；核酸的化学组成、分子结构及理化性质，为以后进一步学习核酸的代谢、基因表达调控及分子生物学技术奠定基础。

核酸研究已有一百多年历史。早在1868年，瑞土的一位年轻科学家F．Miescher（1844~1895年）从外科绷带上脓细胞的细胞核中分离出了一种有机物质，它的含磷量之高超过任何当时已经发现的有机化合物，并且有很强的酸性。由于这种物质是从细胞核分离出来的，当时就称它为核素（nuclein）。Miescher所分离到的核素就是我们今天所指的脱氧核糖核蛋白。直到1889年，才有人成功地分离得到不含蛋白质的这种新物质，因为是从细胞核中分离出来的酸性物质，所以叫核酸。后来研究发现细胞质、线粒体、叶绿体、无核结构的细菌和没有细胞结构的病毒都含有核酸，但“核酸”这一名称仍然保留而沿用至今。

核酸的生物学作用是在发现核酸以后50多年才被证明的。1944年，由艾弗里（O. T. Avery）等人的著名的肺炎球菌转化试验（图3-1）问世后，核酸是主要遗传物质的地位才被确立。Avery等的实验是为了寻找导致细菌转化的原因，他从光滑型肺炎双球菌（S型，有荚膜，菌落光滑）分别提取DNA、蛋白质及多糖物质，并分别与粗糙型的肺炎双球菌（R型，无荚膜，菌落粗糙）一起培养，发现只有DNA能使一部分粗糙型细菌转变成为光滑型，并能继续繁殖，且转化率与DNA纯度呈正相关，若将DNA预先用DNA酶降解，转化就不发生。这种从一个供体菌得到的DNA通过一定途径给另一种细菌，从而使后者（受体菌）的遗传特性发生改变的作用称转化作用（transformation）。转化作用的实质是外源DNA与受体细胞基因组间的重组，使受体细胞获得新的遗传信息。实验结果表明，是S型菌的DNA将其遗传特性传给了R型菌，DNA就是遗传物质，是遗传信息的载体，而不是蛋白质。此后，人们对遗传物质的注意力逐渐从蛋白质移到核酸上。

1952年，郝尔歇（A. D. Hershey）等人用同位素标记法研究T2噬菌体的感染作用，既用同位素32P标记噬菌体的DNA，35S标记蛋白质，然后感染大肠杆菌。结果只有32P-DNA进入细菌细胞内，35S-蛋白质仍留在细胞外，从而进一步肯定了DNA的遗传作用。

这些重要的早期实验和许多其他证据已经准确无误地说明DNA是活细胞中唯一携带全部遗传信息的载体，而不是蛋白质。

1950年以后，Chargaff，Markham等提出了A-T、G-C之间互补的概念。这一极其重要的发现，为以后Watson-Crick建立DNA双螺旋结构模型提供了重要依据。

1953年DNA双螺旋结构模型的提出，被认为是本世纪在自然科学中的重大突破之一。分子生物学所取得的突飞猛进的发展与DNA双螺旋结构模型的建立是分不开的。

20世纪70年代DNA重组技术的出现，被认为是分子生物学的第二次革命。人们终于可以按照拟定的蓝图设计出新的生物体。它改变了分子生物学的面貌，并导致一个新的生物技术产业群的兴起。

DNA重组技术的出现极大地推动了DNA和RNA的研究。其三大关键技术即DNA切割技术、分子克隆技术和快速测序的不断成熟，使人们可以通过DNA操作改造生物机体的性状特征、改造基因、以至改造物种。DNA研究带动RNA研究在理论上或技术上高潮迭起，许多传统观点被打破，核酸研究成为最活跃的研究领域之一。

真核DNA决大部分存在于细胞核中，而蛋白质合成则发生在细胞质内的核糖体上。因此，必定有另一类分子把遗传信息从核内带到细胞质中以指导蛋白质的合成，在20世纪50年代初期，RNA被估计为执行这种功能的最合适的侯选分子。80年代RNA研究出现了第二个高潮，取得了一系列生命科学研究领域最富挑战性的成果。1981年T．Cech发现四膜虫rRNA前体能够通过自我拼接切除内含子，表明RNA也具有催化功能，称为核酶（ribozyme）。这是对“酶一定是蛋白质”的传统观点一次大的冲击。1983年R．Simons等以及T．Mizuno等分别发现反义RNA（antisense RNA），表明RNA还具有调节功能。1986年R．Benne等发现锥虫线粒体mRNA的序列可以发生改变，称为编辑（editing），于是基因与其产物蛋白质的共线性关系也被打破。1986年W．Gilbert提出“RNA世界”的假说，这对“DNA中心”的观点是一次有力的冲击。1987年R．Weiss论述了核糖体移码，说明遗传信息的解码也是可以改变的。

1990年10月美国政府决定出资30亿美元，用15年时间（1991—2005年）完成“人类基因组计划”。“人类基因组计划”是生物学有史以来最巨大和意义深远的一项科学工程。完成人类基因组DNA全序列测定的意义是十分明显的，人类对自己遗传信息的认识将有益于人类健康、医疗、制药、人口、环境等诸多方面，并且对生命科学也将有极大贡献。由于技术上的突破，计划进度一再提前，全序列的测定现已基本完成。一些低等生物的DNA全序列也已陆续被测定。生命科学已经进入了后基因组时代（post-genome era）。

在后基因组时代，科学家们的研究重心已从揭示基因组DNA的序列转移到在整体水平上对基因组功能的研究。这种转向的第一个标志就是产生了一门称为功能基因组学（functional genomics）的新学科。

随着自然科学的发展，核酸的研究越来越成为生物科学的核心，带动了生物化学、分子生物学和分子遗传学乃至整个生命科学研究的发展。在此基础上发展起来的核酸操作技术正在逐步地打开控制不同生物性状的生命之迷，同时，核酸的研究也使生物技术产业获得了空前规模的发展。据统计，信息技术对世界经济的贡献比率达到18％，而生物技术对世界经济的推动作用将不亚于信息技术。

RNA世界假说的科学家质疑

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。”
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 。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。”

《科学》新发现：全球海洋含有超过5500种新RNA病毒，这意味着什么？

病毒一直以来都存在于我们的生活当中，可以说它是无处不在的，只要我们没有达到一个标准的卫生，那一定会被病毒所感染，会患上某种病让我们很难受。而RNA病毒就是比较可怕的存在，它是核糖核酸的简称，这种病毒存在于生物细胞、类病毒中的遗传信息载体，说白了，只要是感染了这种病毒之后，就会引起人们的流感，而且阿尔na病毒是人类感染多种疾病的重要原因。又有新的一个发现，全海洋还有超过5500种新的RNA病毒，已知病毒门类增加了一倍！
那么问题来了，在海洋当中发现了超过5500种新RNA病毒意味着什么呢？我们人类对于RNA病毒的研究还是比较少的这是，通过科学家所给出的一个结论，但是科学家们已经对自然生态系统中的数10万种DNA病毒进行了分类，所以也得知了一个可怕的信息，人类之所以会感染多种病毒，那就是因为RNA所带来的影响。这也就意味着病毒是我们生命当最大的威胁。千万不要小看一个小小的病毒，他们能够将我们的身体摧残殆尽，直至我们死亡，最可怕的还是他们能够在人之间进行传播。
总的来说病毒可能还有更多是我们人类都没有所发现的，此次的新冠疫情就是一个典型的例子，之前从来没有对这种病毒有所研究，所以导致他来的时候那么的猛烈，我们才会如此的恐慌，因为根本没有快速能够将这种病毒杀死的药物。所以我们在面对个人卫生的时候，一定要特别的注意，在这个疫情如此严重的时期，出门一定要将口罩给佩戴好，自身的消毒也要做好,千万不要大意，感染了病毒之后可能就后悔莫及了。

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