日前,來自芝加哥大學的科學家們在《自然》(Nature)雜志上報告稱, RNA 是控制基因表達的分子機器——剪接體的重要功能元件。這一研究發(fā)現(xiàn)確立了是 RNA ,而非蛋白質,負責催化了這一基礎生物學過程,豐富了地球上的生命起源于僅以 RNA 為基礎的世界(RNA world hypothesis)這一假說。
RNA世界學說
RNA世界學說(英語:RNA world hypothesis)是一個理論,認為地球上早期的生命分子以RNA先出現(xiàn),之后才是DNA。且這些早期的RNA分子同時擁有如同DNA的遺傳訊息儲存功能,以及如蛋白質般的催化能力,支持了早期的細胞或前細胞生命的運作。
關于獨立的RNA生命型態(tài)概念,是在1968年由卡爾•沃斯(Carl Woese)所著的《遺傳密碼》(The Genetic Code)一書中所建立。此外亞歷山大•里奇(Alexander Rich)也曾于1963年提出類似想法。“RNA世界”一詞則是由諾貝爾獎得主沃特•吉爾伯特(Walter Gilbert)于1986年提出,是依據(jù)現(xiàn)今RNA具有各種不同型態(tài)的催化性質所做的推論。
真正的分子祖先
新研究的共同通訊作者、芝加哥大學分子遺傳學和細胞生物學副教授 Jonathan Staley 博士說:“真核基因表達的三個重要過程,其中有兩個——剪接和翻譯現(xiàn)在被證實是由 RNA 催化。真核基因表達信號通路與其說是一條基于蛋白質的信號通路,不如說是一條基于 RNA 的信號通路。”
為了實現(xiàn)基因表達,必須將 DNA 翻譯為蛋白質,這些結構和功能分子催化了生命所需的化學反應。為此,儲存在 DNA 中的遺傳信息首先會被復制到信使 RNA (mRNA)鏈中,隨后這些 mRNA 被用于制造蛋白質。
在真核生物中,幾乎所有的基因都進行選擇性剪接, mRNA 前體按許多不同的組合進行切割再連接到一起。這顯著地增加了單個基因編碼的蛋白質數(shù)量,被認為是導致高等生物體大量復雜性的原因。剪接是一個至關重要的生物學機制——至少15%的人類疾病是由于剪接錯誤所致。
剪接體是由蛋白質和短非編碼 RNA 片段構成,其通過催化作用來完成剪接。在生物過程中催化作用通常被認為是以蛋白質為基礎的酶所為。然而,以往的研究則提示對之負責的有可能是剪接體中的 RNA 。盡管經(jīng)歷了數(shù)十年的研究,到目前為止這一問題仍未獲得答案。
為了解答這一問題,Staley 和芝加哥大學生物化學、分子生物學和化學教授 Joseph Piccirilli,與論文的共同主要作者、研究生 Sebastian Fica 及 Nicole Tuttle 展開了合作。
研究人員首先使得剪接體喪失了自我糾正剪接錯誤的能力。隨后他們改變了剪接過程中已知被切割的 mRNA 前體位點上的單個原子,以及被猜測對催化作用極其重要的剪接體 RNA 亞基——U6 上的幾個原子。其中的一些改變導致了剪接不力。他們仔細檢測并系統(tǒng)解救了這一功能喪失,調查了個別及組合位點。由此探究了對于剪接功能至關重要的位點,確定了U6和 mRNA 前體之間的聯(lián)系。
研究小組發(fā)現(xiàn),U6 RNA 亞基直接控制了催化功能——有效地發(fā)揮了剪接體的刀片作用。這是第一個實驗證據(jù)證明, RNA 是這一關鍵生物機制的重要功能組件。
他們還發(fā)現(xiàn)剪接體 RNAs 與II型內含子(一種進化上古老的自剪接、催化 RNA 類型,存在于生命的所有主要分支中)在結構和功能上存在顯著的相似之處。他們認為這表明了這兩種以 RNA 為基礎的剪接催化因子共享了共同的進化起源,提供了進一步的證據(jù)表明,包括剪接體和核糖體在內的重要現(xiàn)代 RNA -蛋白質復合體都從 RNA 世界進化而來。
Piccirilli 說:“在現(xiàn)代生命中,蛋白質酶催化了大多數(shù)的生物反應。這一研究結果發(fā)現(xiàn)像剪接體這樣的,蛋白質組成多于 RNA 的系統(tǒng)利用了 RNA 進行催化作用,其分子祖先完全是由 RNA 構成,表明剪接體的反應中心有可能是來自‘ RNA 世界’的一個分子化石。”