“新陳代謝先起源”和“復制先起源”假說研究進展

許振興, 盧明鋒, 張月杰

(山東理工大學 生命科學學院， 山東 淄博 255091)

生命區別于無機世界的本質特征是什么？原始生命形式如何過渡到現存的生命形式？地球生命體在生物化學上的高度一致性使人們確信所有的現存生命都源自一個最后共同祖先(late common ancient，LCA).“遺傳信息的復制”和“新陳代謝”構成了生命的兩個本質特征.如果沒有“新陳代謝”源源不斷提供的原材料，“遺傳信息的復制”也就失去了物質基礎.如果沒有“遺傳信息”的復制和調控，組成型的“新陳代謝”也難以長時間的維持.因此，究竟是復制先起源(“Replication first”)還是“新陳代謝先起源”(“Metabolism first”)就成為了“生命起源”研究中的“雞”-“蛋”悖論.

1 “新陳代謝先起源”假說

“新陳代謝先起源”假說的支持者Kauffman和W?chtersh?user等認為新陳代謝的出現先于(或同時)模板復制能力的出現，新陳代謝可以通過“隨機漂移”或“偶然凍結”的方式自發出現，并且一出現就具有原始的非遺傳性復制能力[1-3].在隨后的某個進化階段，遺傳性的復制模板才摻入到已有的系統中.

1.1 具有代謝性質的自我維持系統能否自發產生

Serge等在2000年開發的計算機模型支持非遺傳性組成型復制系統的自發形成機制，但目前該機制尚缺乏實驗驗證[4].如果在復制性的生物大分子出現以前，非復制性的自催化循環就已經能夠在原始地球運轉起來，那么生命起源中的無數難題都將迎刃而解.例如，如果一個非酶催化的復雜循環系統可以生產核苷酸用于RNA的合成，則前生物化學中的眾多難題將不再成為問題.

生命在“RNA世界”之前也有可能以基于磷酸甘油或磷酸甘油酸的簡單聚合物作為遺傳物質[5].但是，反檸檬酸循環需要至少六種不同的催化活性才能完成.即使原始地球環境中的無機化合物具有非凡的催化活性[6-9]，也很難想象原始地球條件下存在這樣一個地點，能夠同時提供至少六種催化劑的礦物組合.

福爾摩沙反應是目前唯一被實驗證實的自催化循環系統，可以通過甲醛的聚合生成包括核糖在內的眾多糖類物質，但福爾摩沙反應需要磷酸甘油作為引發劑且產量很低.在0.2mol/L的HCN溶液中添加0.1mol/L的甲醛就可以使HCN四聚體(腺嘌呤)的產量提高了100倍，但是這種前生物合成的副反應產物也十分復雜，而且據估計原始地球條件下HCN的濃度也只有10-5～10-12mol/L[10-11].2007年Weber等提出甘油醛和NH3在水溶液中反應后會導致重排并生成丙酮醛及其它一系列的含氮化合物，將這種反應產物重新加入到新鮮的甘油醛溶液中，丙酮醛的形成率會被極大地提高[12].雖然目前尚不能明確這種反應的機制，但可以推斷出這一反應的某一種產物能夠催化該反應的加速進行，而這正是自催化循環的特征.因此，上述這一類小分子循環至少有可能是前生物合成原材料的一個重要來源.

另一類自催化循環是1986年Kauffman所設想的“肽循環”.Kauffman假設存在一個僅由少數幾種氨基酸混合物構成的水溶液系統，這些氨基酸能夠通過自發反應形成多肽且多肽也能夠自發地水解，一部分隨機肽(幾率P≥10-9)將能夠催化任意兩個隨機肽段間的連接.不僅如此，最終從單體中可以形成一個長度為M(M≤13)的隨機肽集合并組成一個閉合的“肽循環”，即“肽循環”中的每一個隨機多肽都可以催化循環中下一個肽的合成[13].1996年Lee等首次用實驗證實了一個理性設計的32肽能夠自發締合成穩定的卷曲-卷曲結構并催化自身N端和C端的連接，表明多肽具有自我復制的可能[14].2004年Ashkenasy等進一步證明：當采用兩個以上的人工設計的多肽時，肽鍵連接反應網絡能夠實現自組織[15].但是，在原始地球條件下能否自發形成十幾個氨基酸殘基的短肽？這種短肽是否具有穩定的空間結構來保證反應的專一性？多肽的復制如何保證序列的專一性？1999年Emai等在模擬海底超熱系統的流式反應器中人工合成了甘氨酸的寡聚體，當加入二價金屬離子(例如Cu2+)時獲得了甘氨酸六肽[16].Eilzabeth和Kandasamy等的發現表明不但一些二肽、短肽具有催化活性，甚至連單個的脯氨酸(Prolin，Pro)也具有醛縮酶活性[17-18].2004年Honda合成了一個僅由10個氨基酸組成且具有三維結構的蛋白質[19-20].

1.2 “新陳代謝先起源”假說的局限性

盡管上述發現為“新陳代謝先起源”假說的合理性提供了有力的支持.但是，缺乏遺傳調控的新陳代謝循環系統是非常脆弱的，代謝途徑的延伸和復雜代謝網絡的形成必然會打破這種微妙的平衡.在這種情況下，代謝起源的進化驅動力又會是什么呢？2008年Orgel分析了幾種在原始地球條件下可能存在的自催化循環后指出，現有的實驗結果還無法證明“新陳代謝先起源”的可信性[21].2010年，Vasas等通過理論推導后認為自我維持的自催化系統缺少進化性.因此，“新陳代謝先起源”假說的可信度有其局限性[22].

2 “復制先起源”假說

“復制先起源”假說認為前生物合成的有機化合物可以通過非生物自發聚合形成了具有自我復制能力的遺傳信息系統，并逐漸擁有了“新陳代謝”能力.寡聚化的生物大分子通過“遺傳信息的復制”使生命得以產生、延續和進化.如果生命起源的“復制先起源”假說成立，前生物合成及分子進化研究必須要解決的問題是：在原始地球條件下，什么樣的生物大分子有可能具有自我復制功能？生物大分子如何自我聚合以發揮生物學功能？聚合后的生物大分子如何實現自我復制？自我復制的生物大分子如何擁有了新陳代謝能力？自我復制的生物大分子如何通過自然選擇實現達爾文進化？

2.1 具有自我復制功能的生物大分子

眾所周知，DNA、RNA和蛋白質是現代生命依據“中心法則”完成生命活動的物質基礎.DNA的復制需借助蛋白質的催化活性，而蛋白質的合成需要DNA模板的轉錄及一套依賴于核糖體的蛋白質合成系統.由于DNA只具有信息儲存功能但缺乏催化活性，而蛋白質雖具有高效的催化功能卻沒有成為信息載體的潛力，因此兩者都不太可能作為自主復制系統的組分承擔起生命起源的“重任”.

20世紀80年代“核酶”的發現表明RNA既是遺傳信息的載體同時又具有催化活性，隨后的一系列發現進一步證實RNA具有多種多樣的催化功能.1986年Gilbert提出了“RNA世界”假說：“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.遺傳信息的復制基于RNA的復制，作為“生物催化劑”的、由基因編碼的蛋白質還不存在”[23].20世紀90年代末期發現了一系列具有廣泛催化活性的核酶及被認為是RNA世界遺跡的RNA分子[24-26]，2003年Steitz更證實核糖體中肽鍵的形成主要是由rRNA催化的，rRNA也是一種核酶[27]，“RNA世界”假說被廣泛接受.“生命起源”研究的焦點就轉向“RNA”的起源.

2.2 “RNA”起源的幾個問題

“RNA”起源需要解決的第一個問題是：合成RNA的原材料-核苷酸的前生物合成？盡管核糖、堿基都有比較可信的前生物合成途徑，但由核糖、堿基直接合成核苷和核苷酸的前生物合成卻極為困難[28].2009年Powner采用由HCN與氨水反應生成的2-氨基惡唑(2-amminooxazole)作為起始反應物的合成途徑基本解決了嘧啶核糖核苷酸的前生物合成問題，但嘌呤核糖核苷酸的前生物合成還需要進一步的研究[29].

“RNA”起源需要解決的第二個問題是：RNA的前生物聚合機制？雖然這個問題多年來始終是前生物合成學家的“噩夢”，但近年來的研究已經有了明顯的進展.Ferris等研究了5'-磷酸咪唑核苷及其它活性核苷在粘土礦物蒙脫石上的寡聚化.他們發現某些礦物樣品可以作為高效的催化劑，即使當活性核苷的濃度較小時也能夠促進寡聚體的形成[30-32].不僅如此，礦物質還能極大地影響聚合反應的立體專一性，在蒙脫石上的5'-磷酸咪唑腺嘌呤核苷寡聚體有75%以上是3'-5'磷酸二酯鍵連接產物，而嘧啶核苷寡聚體卻主要是2'-5'磷酸二酯鍵連接產物[33-34].短的寡聚體一旦形成后，還可以被吸收到其它的蒙脫石或羥基磷灰石上進一步延伸，寡聚體的長度最高可達40～50nt[35-36].當采用5'-磷酸-1-甲基核苷作為活性單體時，聚腺嘌呤和聚尿嘧啶寡聚體中的3'-5'磷酸二酯鍵連接產物可分別達75%和60%.雖然1-甲基鳥嘌呤和1-甲基胞嘧啶的寡聚化效率相對較低，但四種1-甲基活性單體都可以摻入到非生物合成的寡核苷酸中[37-38].

“RNA”起源的第三個問題是：RNA的自我復制機制？RNA自我復制的本質是模板指導的RNA合成.如果原始地球上確實存在某種核酸活化單體的聚合機制，其產物也必將是長度和序列各不相同的隨機寡核苷酸.這些隨機寡核苷酸短鏈又能否通過類似堿基互補配對的非酶催化反應完成模板指導的復制過程呢？2007年Roos等通過對早期基因組進化進行建模后提出RNA的第一種復制機制：“雙鏈RNA(dsRNA)是信息儲存的生物大分子，在隨后的進化中由這些dsRNA產生了具有催化功能的單鏈RNA(ssRNA)”[39].但是大量的研究結果卻表明，絕大多數的活化單體不能通過非酶催化反應，在已有的RNA模板上進行由模板指導的有效且結構專一性的合成反應.總體而言，只有很少的一部分模板能夠指導完成互補鏈的合成，并且互補鏈中既有3'-5'磷酸二酯鍵也包括2'-5'磷酸二酯鍵連接產物[28].Inoue和Orgel等發現，即使是采用四種5'磷酸-2甲基咪唑核苷酸的等量混合物時，poly(C)模板也能高效及結構專一性地指導互補鏈poly(G)的合成[40].但由于試劑、反應條件以及模板指導的活化核苷酸單體縮合的內在限制，目前還沒有發現任何一對互補序列能夠彼此指導其互補鏈的合成.1996年Rohatgi等發現5'-三磷酸寡核苷酸能夠在已有的互補模板上進行緩慢但結構專一性的連接反應[41].如果能夠保證互補性寡核苷酸短鏈的來源及互補配對的保真度，通過多個寡核苷酸短鏈的連接反應也許可以成為聚核苷酸鏈的另一種復制機制[42].RNA的第三種復制機制可能是隨機寡核酸在自然選擇條件下出現具有自我復制能力的寡核苷酸-RNA復制酶核酶.這種RNA復制酶核酶必須是一種依賴于RNA分子的RNA聚合酶，首先以自身為模板催化互補鏈的合成，然后利用互補鏈實現自我復制.該復制機制需克服的主要難題是：(1)目前已知的核酶都太長(160～200nt),很難通過蒙脫石催化的方式自發出現[14,20]；(2)目前RNA復制酶核酶對自身的復制最長只有14～20nt[43-44].

“RNA”起源需要解決的第四個問題是：RNA世界的進化機制？第一個RNA復制酶一旦出現，如果其僅能催化自身的復制，那么如何才能保證分子多樣性及功能多樣性的產生？如果其不但能夠催化自身的復制，而且能催化其它寡核苷酸鏈的復制，采用何種機制才能保證其從隨機寡核苷酸池中脫穎而出呢？1971年Eigen針對上述疑問提出了著名的“超循環理論”.該理論可以概括為：“在化學進化與生物學進化之間存在著一個分子自我組織階段，通過生物大分子的自我組織建立起超循環系統并過渡到原始的有細胞結構的生命.這種超循環系統可以通過一定的準確性來進行自我復制從而保持和積累遺傳信息，又可以因復制過程中產生的錯誤而發生變異”.RNA分子社會通過自我組織形成超循環系統需要某種形式上的區室化，那么非生物性原始膜系統或原始區室的形成機制是什么？功能性RNA分子是以怎樣的順序自組織化？RNA分子進化的動力是基于動力學性質還是功能性？

2.3 “復制先起源”假說的局限性

綜上所述，“RNA起源”目前還存在很多難以逾越的問題.即使“RNA世界”假說成立，在解釋生命如何從“RNA世界”過渡到“DNA世界”的問題上，目前也還得不到圓滿的解答[45-46].在此基礎上“復制先起源”假說的支持者提出一個新的假設，即在“RNA世界”之前可能存在一個“Pre-RNA世界”[47-49].例如，作為遺傳物質的前RNA聚合物如果以α-蘇糖核酸(TNA)、肽核酸(PNA)等較核糖更為簡單的有機化合物作骨架，就可以避免上述RNA前生物合成中的諸多困難[50-52]，但“Pre-RNA世界”假說同樣缺乏令人信服的證據.

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