英国剑桥大学：地球上最早的基因也许是RNA和DNA的杂交链
一条折叠起来的单链RNA。图源：Wikipedia
来自英格兰、苏格兰和波兰的科学家们表示，DNA和RNA在地球出现生命之前可能是以严格的配对方式同时存在的。而DNA和RNA是现代构成地球生物体的遗传密码的主要形式。研究团队使用一种氰化氢为基础的化学体系模拟地球早期的环境并制造了四种碱基，即遗传字母表中的四个分子形式的“字母”。这些碱基串起来形成基因序列，细胞通过基因序列转录蛋白质。但他们惊喜地发现，实验中始终存在的这四种碱基中，仅两种出现在DNA中，而另外两种出现在RNA中。
这项研究由英国剑桥大学医学研究理事会的分子生物学实验室的John Sutherland团队完成，成果发表在《自然》（Nature）上。这一研究再一次动摇了所谓的RNA世界假说。RNA世界假说认为，在DNA和其他重要的生物分子出现之前，RNA是构成地球生物圈的基础。这一假说一直以来是生命起源研究中最重要的观点之一。然而到目前为止，还没有被足够多的证据证明哪些化学途径可以形成这种“纯”RNA体系，从而形成严谨的科学观点；抑或这一体系可以在后来产生DNA。Sutherland说，“人们已倾向于认为RNA是DNA之‘母’，但这项研究表明，RNA和DNA是分子水平的‘同胞’。”
然而，其他没有参与这项研究的科学家质疑此项研究中以氰化氢为基础的合成路线是否是合理的。位于奥尔良的法国国家科研中心的分子生物物理学中心的太空生物学团队负责人Frances Westall强调：形成这些碱基需要极其特殊的条件。混合物需要彻底干燥并暴露在紫外线下——干旱的陆地很容易满足这两个条件，但是在40亿年前及更早些时候，被海洋覆盖的地球是稀缺这两个条件的。“早期地球肯定存在这些条件，”Westall说，“（但是）它们不会那么常见，因为当时没有那么多裸露的陆地。”尽管她补充说，这项研究是“聪明的”而且“不是完全不可能的”，但她总结道，“对于生命的出现地点及生命起源前的分子的出现地点，还有其他更好的假设。”
对于合理性的争论始于20世纪50年代早期，当时美国研究者Stanley Miller和Harold Urey做了一个里程碑式的实验。此后至今，这些争论使得以化学为基础来理解地球生命起源的科学探究备受困扰。Miller和Urey在含有氢气、水、氨气和甲烷的烧瓶中进行火花放电，以此模拟闪电对早期地球大气和海洋的影响。尽管他们的实验产生了对生物化学至关重要的有机大分子，并因此闻名，但几十年来其他研究者一直在争论实验条件的合理性。然而，Miller和Urey的工作说明，合成重要基础物质是相对简单的，例如（他们合成的）氨基酸。氨基酸可以连接形成蛋白质，蛋白质随后在活细胞中可以执行无数功能。蛋白质对生命起源的研究非常重要，它可以充当催化剂以促进和加速其它化学反应，否则这些反应会进行得太慢或者需要太多能量而难以发生。但地球生命兴起的过程中，蛋白质并不是唯一可能的催化剂。
在最终获得1989年诺贝尔化学奖的工作中，分子生物学家Sidney Altman和生物化学家Thomas Cech发现RNA也可以起到催化剂的作用。此前，RNA长期以来被认为只是基因信息的中间载体，被DNA所决定。RNA世界假说认为这些分子是可以自我复制的，使得DNA和蛋白质出现之前的早期生命进化成为可能。Sutherland说，然而这一假说“是对Altman和Cech杰出发现‘过分热心’、‘过分热情’的解读”。
这样解读的部分原因可能是，对于一个“天真的”化学家来说，从RNA世界中生成DNA似乎是很容易的。为了形成我们经常看到的DNA标志性双螺旋状的盘旋长链，碱基首先连接到糖分子的“主干”上。连接和组合形成了核苷，即DNA中的脱氧核糖核苷和RNA中的核糖核苷。不像“表兄弟”DNA，RNA形成的是单螺旋链。这些核苷不利用食用砂糖或蔗糖，而是利用RNA中的核糖和DNA中的脱氧核糖（不同的糖分子决定了物质的最初形态）。这两种糖分子的差异是很小的：仅仅差一个氧原子和一个氢原子。但是这样的差异足以使得DNA和RNA扮演不同的生物学角色。用生物化学方法移除这两个原子的难度要远远大于简单地擦除笔记本上代表原子的字母。
另一个RNA世界假说的不足是，在地球早期可能存在的环境中生成核糖是非常困难的，将核糖与碱基连接也是有难度的。Sutherland和他的同事因此也在寻找可能性更高的产生核糖和核糖核苷的方法。他们找到的最具可能性的方法之一是利用地球早期大气中相对富存的两种气体：硫化氢和氰化氢。当这些简单的化合物溶解在水中，暴露在紫外线下，并经过循环地干燥，就会产生许多更为复杂的分子。其中包括氨基酸和甘油，它们可以形成脂肪的骨架，而脂肪可以形成细胞的外壁。
Sutherland去年在这一方法上又进了一步。与美国斯克里普斯研究所（the Scripps Research Institute，位于加利福尼亚州拉荷亚）的Ramanarayanan Krishnamurthy研究团队合作，Sutherland和他的同事发现胞嘧啶核苷与尿嘧啶核苷可以转化为脱氧核糖、核苷和脱氧腺苷。现在，主要通过Jianfeng Xu和Václav Chmela的努力（他们都是英国剑桥大学医学研究理事会分子生物学实验室的团队成员），研究取得了更大的进展。他们将团队过去研究的一些中间产物与盐类化合物（例如早期地球广泛存在的亚硝酸钠、氯化镁）混合，然后分别将它们置于酸和热的环境。通过这些操作，科学家们发现有两种可能的路线可向预存的混合物中添加1个第四种碱基，即较不常见的肌苷。这一添加足以构成四个“字母”（即四种碱基）的基因字母表：一条链上的每个碱基将与另一条链上其他三种碱基中的一个单独配对。这种碱基互补配对方式就是现代RNA和DNA的工作原理。但是在这个实验中，两种碱基来自RNA，两种来自DNA。
这项实验设计“表明产生RNA和DNA的化学方法没有人们想象的那么不同，”Sutherland说。“人们倾向于认为RNA先于DNA出现，然后前者以某种方式被后者取代。对我来说，这意味着中间过程有可能有RNA-DNA杂交链，然后产生独立的两个分子RNA和DNA。”然而，Sutherland的团队还没有将核苷和核糖核苷分子组装成更长的链。这样做是很重要的，因为可以证明杂交链真的可以形成或结合成RNA或DNA链，从而为这一猜测提供科学证据。
这对于Nicholas Hud来说是个关键的问题，他是乔治亚理工学院生命起源方面的研究者（他没有参与这项研究）。他称这一问题是水基核苷合成在有机化学方面 “出色的汇编”。但是Hud并不相信这篇论文能够证明这些核苷是否在生物体出现之前就已经存在了。他自己的研究表明，氨基酸可能在RNA出现之前就已经连接（形成多肽或蛋白质），可以携带信息并起到催化剂的作用。Hud认为，在后来漫长的地质时期内，（生物）进化会逐渐产生现在的遗传系统。“如果一个分子用化学方法是很难合成的，但它又有着精巧的生物功能，那么它也许需要通过很长时间的进化才会形成，”他说。基于相同的理由，他也对RNA世界假说持怀疑态度。
此外，Hud认为这项研究的结论是依赖于严格的渐进的实验步骤，即每一步要遵循严格的实验顺序和控制条件，因而有明显的不足。Hud说，如果这些步骤的顺序改变了，或者某些产物没有被分离出来，Sutherland和他的同事们将会得到更少他们感兴趣的物质。这些严格的要求减少了在早期地球混乱的环境中发生相应反应的可能性。
Sutherland承认，由于没有时间机器带我们探索地球生命的真正起源过程，在这个样品稀缺的研究领域，“合理性就是一切”。尽管如此，他还是坚定地支持他的团队在化学路线上探索生命起源。“很多争议的矛头指向氰化氢，”Sutherland断言。“‘这一研究能证明一切都是氰化氢产生的吗？’答：不能证明这一点。但我认为这项研究已经足够出色了。”
作者：Annie Sneed
翻译：黄灏
审校：曾小欢
引进：科学美国人
引进链接：https://www.scientificamerican.com/article/the-first-gene-on-earth-may-have-been-a-hybrid/
来源：环球科学
