尋找生命起源：神秘成分進入視野

在動物、細菌或任何生命體尚未出現的數十億年前，地球上就有RNA了。這些分子可能與氨基酸及其他基礎生物分子共舞，在了無生機的行星“熔爐”中分分合合。

然后一種特別的物質不知怎么的就出現了：它是一種由數條RNA組成的簡單“機器”，形如口袋，能夠將氨基酸逐一排列，且可能具有將這些氨基酸連接成鏈的能力。這種大分子物質之后逐漸演化成核糖體，即負責將遺傳信息翻譯成蛋白質的“RNA-蛋白質”復合物。它的誕生（其中細節尚屬假設）將在這個原本由RNA主導的“前生物”世界中引發一場根本性改變，為我們所知道的所有生命提供關鍵成分。

以色列魏茨曼科學研究所的結構生物學家Ada Yonath和她的團隊在20年前首次提出了“原始核糖體”這一概念。此前她和其他人共同解析并確認了現代核糖體的結構，這一壯舉也使她后來與他人共享2009年諾貝爾化學獎。

但為了驗證假設中的原始核糖體確實存在，Yonath和她的實驗室同仁必須把它造出來。

插圖：Hudson Christie

其他科研人員也在關注這個項目。該實驗室在過去兩年中所取得的成就，即創造出可以將兩個氨基酸相連接的原始RNA機器[1，2]，激起了千層浪。而在日本，由東京理科大學的分子生物學家田村浩二領導的另一獨立研究組也成功創造出一種相似的、具有功能活性的原始核糖體[3]?！斑@一研究成果是對Ada所提出的原始核糖體學說的有力支持，”美國克里普斯研究所的生化學家Paul Schimmel說，“我一直對之持開放的態度，而這種開放態度正在逐漸走向確信?！?/p>

盡管仍存在對此類研究的質疑和警告，但就從原始有機分子到所有生物的最近共同祖先所使用的核糖體這一發展道路而言，Yonath和田村的研究工作似乎重現了其中一個重要里程碑。這項任務并非易事：在Yonath的研究小組，該研究項目不斷從一個研究者傳給另一個研究人員，用了超過15年才取得成功?，F在這一工作為研究生命起源的科學家們提供了更多細節信息。另有科學家正在以原始核糖體或類似的分子作為工具，來創造出新的生物分子。

“這應該將會成為其他更多研究領域的起點?！苯陙眍I導了Yonath研究組工作的博士后研究員Tanaya Bose說。

來自晶體結構的啟示

近幾十年來，科學家們一直試圖重現生物分子的化學起源。70年前，美國芝加哥大學的化學家Stanley Miller用電流通過氣體混合物來生成有機化合物[4]。包括Carl Woese和Francis Crick在內的研究者們認為，核糖體最初可能是一種僅由RNA構成的分子，該想法在40年前得到了“RNA能夠催化反應”這一研究證據的支持[5，6]。由此提出了“RNA世界”假說，該假說描繪了在細胞或真正的生命體出現之前，曾存在RNA自我復制并介導催化反應的一段時間[7]。

在過去十年中，有人對“RNA世界”假說提出質疑；許多科學家現在懷疑，包括原始蛋白質、脂質和代謝物在內的多種生物分子當時都可能與核酸同時存在。

Yonath懷疑早期地球上有很多RNA?！八鼈冎械拇蠖鄶刀疾粡痛嬖?，因為它們很小也沒什么用?！倍J為原始核糖體持續存在到了最后。

在2000年代初，Yonath及其同事發表了構成核糖體的兩個“蛋白質-RNA”亞基的高分辨率結構[8，9]，其中核糖體樣例取自嗜極細菌。而隨著其他生物體的核糖體結構得到發表，Yonath研究小組的一位科學顧問Ilana Agmon注意到了一些驚人之事。

在核糖體大亞基的核心深處存在一個呈半對稱結構的片段。該片段區域包含一個由核糖體RNA構成的口袋狀結構，被稱為肽基轉移酶中心（PTC）。在mRNA翻譯成蛋白質的過程中，當兩個氨基酸被置于PTC中時，它為這兩個氨基酸相連創造條件。而且，盡管該結構中核苷酸的具體序列因不同物種而異，但該結構的形狀在各樣例物種中是相同的，提示該結構對核糖體發揮其支持生命的能力而言至關重要（見“事件的核心”）。

來源：參考文獻1 & 3/PDB.

2006年，當Yonath開始和她的團隊探討核糖體的演化問題時，Agmon建議關注那個包含PTC的半對稱區域?！拔覀兺茰y這就是原始核糖體，也是核糖體演化的起始部分?！睆囊婚_始就參與該項目的高級科學家Anat Bashan回憶道。但是他們推測中可能是原始核糖體的那片區域共由178個核糖核苷酸組成，而Yonath指出這個結構過于巨大，以至于在原始地球上難以完整現身。

部分基于她所觀察到的結構對稱性，她提出了一個原始核糖體的分子模型，由兩條相近的L形RNA組成，分別長60和61個核苷酸。研究小組認為早期地球上能出現這樣大小的分子更為合理。

那樣的分子片段大小確實可靠些。美國應用分子演化基金會的生化學家Elisa Biondi和她的同事成功在稱為巖石玻璃的材料上合成了長度為約100~300個堿基的RNA，這種材料可以在前生物世界中通過火山活動或流星撞擊形成[10]。

但并非所有人都相信Yonath和Agmon研究中的短片段RNA是自發生成的。法國斯特拉斯堡大學的有機化學家Joseph Moran贊揚了Yonath的成就，但質疑原始核糖體是否就這么突然出現了?！八隙ㄊ菑母唵蔚臇|西中生成的?！彼f。

密歇根州立大學的生物學家Robert Root-Bernstein認為，這些更簡單的東西可能是轉運RNA（tRNA）。在現代核糖體中，氨基酸進入PTC，連著配對mRNA上的三字母代碼的tTNA。這些代碼決定了蛋白質中氨基酸的連接順序。

在Root-Bernstein等人來看，PTC的核心看起來很像四個連在一起的tRNA。他指出，tRNA不僅能將氨基酸運送到核糖體中，它們還能作為多功能分子來執行多種任務，例如感知營養物質和沉默基因表達。也許它們在原始核糖體出現之前具有某種功能，而后為原始核糖體的結構提供構建模塊。

非凡的證據

無論假設中的原始核糖體是如何形成的，在Agmon和Yonath首次構思這一概念時，尚無任何實驗證據表明它可能存在、并像他們想的那樣發揮功能。原始核糖體假說中假定了其中一種早期RNA口袋可以將氨基酸連接在一起，然后這種RNA便演化成了具有相同功能的核糖體。

與Nature交談的科學家們表示這個想法挺不錯，但未必成真?！斑@說得通?！泵绹糁蝸喞砉W院的演化生物學家Anton Petrov說，但他也認為早期的RNA機器可能具有不同于肽鏈合成的其他功能，然后隨著原始核糖體的出現，它們承擔了這個角色。

“這是Yonath的一個非常大膽且富有想象力的想法?！庇t學研究委員會分子生物學實驗室的化學家John Sutherland說。

大膽的理論需要非凡的證據，而這也是實驗室下一步要著手獲得的東西。在提出原始核糖體假說后，Agmon去了以色列理工學院。由博士生Chen Davidovich率先開展相關實驗。Yonath說，實驗的第一步是制作用于構建這種理論中的原始核糖體的分子。

Davidovich研究了各種現代核糖體的RNA序列。核糖體作為一種大分子，其中含有幾十種核糖核苷酸和輔助蛋白，但并非都與PTC的形狀或功能相關。他盡可能剝除了那些看似與原始核糖體無關的東西，只留下足以構成那個半對稱的口袋的RNA[2]。其中一些RNA能夠成對構成一些東西，類似于Agmon想象中的PTC核心。

“這花了很長時間”，Yonath回憶道。但下一步耗時更久。第二步是證明這些假定的原始核糖體可以拿兩個氨基酸連接到一起。

Davidovich試圖展現PTC的活性，采用的方式就是別的研究者用于檢測現代核糖體將兩個氨基酸類似物連接成二肽的能力的方法。他用放射性元素標記了這樣的類似物，它們與一些代表tRNA的核苷酸相連。在把它們與原始核糖體混合后，他認為他能夠按分子大小對分子進行排序，從中找到分子較長、并具有放射性標記的二肽。但他一直未能找到此類二肽存在的跡象?！斑@幾乎斷送了我的職業生涯”，Davidovich回憶道。

幸運的是，他還有一個備用課題，與Yonath實驗室的另一個研究興趣相關，即研究攻擊核糖體的抗生素。他于2010年畢業，目前在澳大利亞莫納什大學領導一個研究基因表達抑制的實驗室。

接下來是博士生Miri Krupkin，她被PTC的對稱性及其快速構建蛋白質的能力（快于任何人類化學家所設計的分子）所吸引。利用Davidovich構建的PTC分子和Krupkin自己設計的分子處理氨基酸類似物后，她也試圖根據分子大小來檢測放射性二肽產物，還嘗試用熒光而非放射性元素來對底物進行標記。但還是什么也沒有。

Krupkin開始懷疑原始核糖體在剛出現時究竟有沒有產生過肽。她測試了其他可能的化學物質，如加入或去除來自其他分子的磷酸基團，但仍然以失敗告終。

“我繼續探索著，因為這個問題太有趣了?！盞rupkin說。但與Davidovich類似，她也不得不依靠另一個課題（也與抗生素相關）才得以在2016年畢業。她目前在美國斯坦福大學擔任博士后研究員，從事HIV的RNA結構方面的研究。

直到2016年， Bose加入了這個實驗室做博士后，終于完成了這個課題。Bose受過化學訓練，這給了她一個看待此課題的全新視角。她意識到，如果處在原始版本的原始核糖體真能有用，它也可能效率極低，僅能產生極微量的二肽。Bose沒有按分子大小分離反應產物，而是改用質譜法進行檢測，當時這是最為靈敏的檢測方法。實驗仍然很難：她做了許多化學反應和對照實驗，還試了兩種質譜檢測方法。最終她看到了一個代表預想中二肽的信號峰[1，2]。

“產物的數量很少”，Bose 說。她懷疑Davidovich和Krupkin當時可能一直有把產物制造出來，但量太小了，他們的方法不足以檢測出來。

即使是如此小的產量也算得上是“一定程度上的壯舉”，Sutherland說?！八麄冊谝粋€非常困難的問題上取得了進展?！?/p>

后續步驟

當Krupkin在嘗試檢測二肽產物時，Yonath小組并非唯一一個探尋合成肽鍵最小機器的研究小組。日本的田村浩二同樣也受到了半對稱核心口袋的啟發。他組建了一個研究小組來制作他們自己的原始核糖體樣結構，包括碩士生川端舞和本科生川島健太郎。

他們的PTC復制品由兩條74個核苷酸的RNA構成，與Yonath所合成的分子相似，但為了模擬現代tRNA，他們使用了名為小螺旋（minihelice）的結構。這種分子結構在大小上約為現代tRNA的一半，也因此比Yonath所使用的tRNA替代品大得多?，F代tRNA目前被認為是從小螺旋演化而來的。

Tamura的團隊最終取得了屬于他們自己的成功，他們也用了質譜來檢測二肽[3]?！拔韬徒√啥寄托挠致斆?，最終我們滿載而歸?！碧锎逭f。

之前擔任田村浩二博士后顧問的Schimmel說，小螺旋是一個關鍵性補充。“可以說，他把它提升到了新的高度，因為他構建出了被許多演化生物學家認為是原始tRNA的東西?！盨chimmel說。他指出，一些科學家甚至猜測這些小螺旋演化出了自我復制的能力，這是邁向生物體的另一個關鍵步驟。

田村提醒說，兩個實驗室所構建的分子在工作方式上與現代PTC都不完全相同?！拔覀兊慕Y果都過于簡單”，他說，“在我們真正理解PTC和核糖體的演化過程之前，還有很長的路要走?！?/p>

對于Bashan來說，現有結果已經足夠接近了?！拔覀冋J為這就是最初的蛋白質就是這么來的?！彼f。

但正如其他科學家所指出的，多肽出現于早期地球之上可能還有其他方式。將氨基酸連在一起是“非常容易”的事情，Sutherland說。

例如一些科學家提出，在早期地球環境的冰冷潮濕和炎熱干燥的循環交替中，氨基酸再加上α-羥基酸（包括乳酸和檸檬酸的一類分子）可能形成多肽，這一過程不需要RNA的參與[11]。此外，去年另一團隊利用一些RNA堿基（盡管不是現代RNA編碼中所使用的A、C、G和U堿基）組裝出了肽鏈。研究人員提出，這有可能在沒有核糖體參與的情況下就發生于RNA世界中[12]。Sutherland說：“這種合成方式與自然界現在利用RNA來制造肽鏈的方式完全不同?！?/p>

Sutherland和Yonath說，就原始核糖體方面的研究工作而言，其特殊之處在于這些工作為我們可對核糖體演化過程的構想創造了可能，即核糖體的原始核心在數千年中如何積累額外的RNA和蛋白質以創造出現代核糖體。

Petrov和他的同事們通過從現代核糖體開始往回逆推的方式，準確預測出了這樣的時間線。他們分析的是核糖體在原子級別的“指紋”：在新的RNA分支結構被添加進核糖體時，這些“指紋”會被遺留在核糖體三維結構中[13]。這樣得到的核糖體的演化模型表明，在其結構符合Yonath的原始核糖體，且隨著時間的推移會有額外的RNA片段慢慢被加入其中（見“分子的演化”）。

來源：參考文獻13

Yonath團隊所要做的下一步，便是嘗試制造出多種多樣的長度大于兩個氨基酸的肽。Bose正在從事這方面的研究，但這將需要異于之前實驗的反應起始原材料。

目前有一個研究小組宣稱已從原始核糖體樣結構中合成了更長的肽鏈。美國休斯頓大學的生物物理學家Yuhong Wang及其同事報告了他們的質譜實驗，其結果表明他們利用尺寸更大的PTC生成了由九個賴氨酸組成的肽鏈[14]。Wang認為可能其實還生成了其他長度的賴氨酸聚合物?！拔艺J為我們的證據很有力?！彼f。但她承認實驗的對照不夠完整，而且也無法解釋為什么長達九個氨基酸的肽鏈會是最顯著的反應產物。

Wang等人對利用這種被剝離出來的核糖體來制造可用于醫學或工業的新型生物分子很感興趣，不限于20種常見氨基酸，甚至可以不限于氨基酸。比如他們可能會利用右旋的氨基酸來構建分子，不同于地球生物中存在的左旋氨基酸。Wang認為這種大分子合成方法可能比其他方法更為廉價與環保。

與此同時，還有很多生命起源方面的研究工作有待開展?？茖W家們需要弄清楚RNA是如何獲得自我復制的能力的。他們還需要探尋早期核糖體如何根據原始mRNA編碼來制造出特定肽段。這些生物學過程，以及核糖體合成肽的能力，可能為演化提供原材料。

Sutherland說，還有一個因素：原始核糖體所制造的早期肽一定具有某種用處，否則這種分子機器的持續存在就不具備演化上的優勢了。他提出了幾個推斷的功能：也許它制造的這些肽能夠螯合某些金屬離子，不然這些金屬離子可能會破壞RNA。或者這些肽可能幫助形成早期的生物分子區室，以將RNA和肽聚集在一起。

“當你得到了演化可以作用其上的東西時”，Sutherland說，“剩下的就是歷史了?！?/p>

參考文獻

1. Bose， T.， Fridkin， G.， Bashan， A. & Yonath， A. Israel J. Chem. 61， 863–872 (2021).

2. Bose， T. et al. Nucleic Acids Res. 50， 1815–1828 (2022).

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4. Miller， S. L. Science 117， 528–529 (1953).

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7. Gilbert， W. Nature 319， 618 (1986).

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13. Petrov， A. S. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 111，10251–10256 (2014).

14. Xu， D. & Wang， Y. Biochem. Biophys. Res. Commun. 544， 81–85 (2021).

原文以How did life begin? One key ingredient is coming into view標題發表在2023年2月28日《自然》的新聞特寫版塊上，? nature，doi: 10.1038/d41586-023-00574-4

本文來自微信公眾號：Nature Portfolio （ID：nature-portfolio），作者：Amber Dance

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