從RNA到RNA蛋白分子：一些物種核糖開關(guān)的作用.doc

從RNA到RNA/蛋白分子：一些物種核糖開關(guān)的作用摘要：在生命起源前的環(huán)境里，一些氨基酸及其衍生物與多聚核糖核苷酸的共同相互作用形成了多肽。并且，連續(xù)的氨基酸聚合作用及其形成的具有催化功能的結(jié)構(gòu)域?qū)τ趶腞NA到RNA/蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)變貢獻(xiàn)了巨大的作用。 關(guān)鍵詞：生命起源 L-賴氨酸 S-腺苷-L-蛋氨酸 早期氨酰化作用 核糖核酸類多肽1、前言相比非生命結(jié)構(gòu)，生命系統(tǒng)有著更高的復(fù)雜性。在前生命化學(xué)的研究中，研究非生命物質(zhì)是如何形成生物組織的問題是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。在所有生物有機(jī)體中，核酸、蛋白等生物大分子的相互依賴關(guān)系促進(jìn)了原始生命的進(jìn)化。RNA（一種由核苷酸聚合作用形成的核酸）同時(shí)具有遺傳和催化（作為核酶）的能力。這就有利于RNA是生物世界基礎(chǔ)的假設(shè)（Gilbert,1986）。的確，多聚核糖核苷酸結(jié)構(gòu)的易變性可以促使其形成不同的RNA種類。（spirin,2002）而作為大家公認(rèn)的配體，RNA的催化功能、遺傳作用及其可塑性會受到某些因素的影響。（Breaker,2012）另外，在有機(jī)體中RNA和蛋白的相互作用也為進(jìn)化提供了動力。1.1、在前生命環(huán)境里可能存在的生物合成反應(yīng)對于前生命時(shí)期的環(huán)境里完整的非生物合成RNA的過程人們還沒有徹底明了（Orgel,2004）。RNA單體包含D-核糖、堿基和磷酸。在那個(gè)環(huán)境里核苷酸的合成被其反應(yīng)力和生成物的穩(wěn)定力所制約。（例如受水解作用及生成物的產(chǎn)量和磷酸的可用度所約束）（Orgel,2004;Anastasi等,2007;Spirin,2007;Holmet等,2006;Pasek,2008;Piwner等,2009）。在進(jìn)化中，氨基酸及其衍生物與多聚核糖核苷酸的共同相互作用共同控制著生物的核糖開關(guān)，氨基酸通過聚合作用所形成的聚合物具有催化功能，這為RNA分子到RNA/蛋白分子的轉(zhuǎn)變提供了證據(jù)（Bernstein,2006;Yang等,2007）。經(jīng)典的Miller實(shí)驗(yàn)合成了氨基酸的混合物（Miller,1953）。其他一些R基團(tuán)上富含N的氨基酸例如賴氨酸（Hanic等,2000），蛋氨酸和同型半胱氨酸（Parker等,2011）的合成反應(yīng)目前也都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。這些合成物中包含了除非手性甘氨酸以外的其他所有外消旋的氨基酸。熱液的環(huán)境貌似也為這些合成反應(yīng)提供了可能。另外，一些攜帶了除氨基酸以外其它分子的彗星或隕石也為地球前生命時(shí)期的氨基酸合成反應(yīng)提供了反應(yīng)物（Bernstein,2006）。另一方面，所有的生命中均含L-羥脯氨酸（及它們的衍生物）和D型糖類（Pollack等,2010），這種現(xiàn)象的形成發(fā)生在前生命期的富集反應(yīng)（da Silva和Holm,2014）。人們用實(shí)驗(yàn)的方法，分別阻斷多聚核糖核苷酸和縮氨酸的形成等反應(yīng)，可以確定他們的裝配和有效復(fù)制對于生命的起源至關(guān)重要。1.2、生物分子的非生物聚合作用1.2.1、多聚核糖核苷酸生物個(gè)體中，核苷酸的聚合作用是由酶催化完成的。一個(gè)具有生物功能的RNA至少是由50個(gè)核苷酸聚合而成的。（shapiro,2000;Monnard等,2003）。多聚核糖核苷酸鏈在水溶液中很不穩(wěn)定，這與在地球早期磷酸二酯鍵的自發(fā)形成理論是不相符合的（也稱水悖論）（Spirin.2007）。已經(jīng)活化了的核苷酸以金屬離子或蒙脫石（地球上一種豐富的粘土礦物質(zhì)）為催化劑（Franchi和Gallori,2009;Ferris,2006），將與之互補(bǔ)的模板鏈（di Mauro等2006）和不同熱梯度的礦物質(zhì)顆粒在地質(zhì)熱液環(huán)境（Baaske等,2007）或者類地質(zhì)熱液溫度的環(huán)境（Kawamura,2004）中發(fā)生聚合形成多聚核糖核苷酸，目前這一過程已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，這就使得水悖論不攻自破。由非酶物質(zhì)形成的水溶液的二聚體、四聚體與在地質(zhì)熱液中形成的低聚核糖核苷酸發(fā)生的聚合作用要大于四聚體在冰水混合相的聚合作用（Monnard,and ziock,2008）,目前多聚RNA類似物已經(jīng)在脂類環(huán)境中獲得。（Rajamani et al.,2008）。1.2.2、多肽類由氨基和羧基的縮合而發(fā)生的氨基酸聚合反應(yīng)會形成短鏈(多肽)或長鏈(蛋白質(zhì)),但這脫水反應(yīng)受熱力學(xué)和動力學(xué)約束。在熱液環(huán)境中，氨基酸由于吸附作用吸附在粘土或礦物質(zhì)上，這樣會得到由脫水作用而產(chǎn)生的羰基硫代物（Leman等,2004）、氰化物Danger等,2012b）、氯化鈉和氨基酸絡(luò)合銅等物質(zhì)。另一方面，前生命多肽類的產(chǎn)生假說為類脘病毒模型。（Maury,2009）1.2.3、多聚核糖核苷酸與氨基酸物理化學(xué)結(jié)構(gòu)關(guān)系研究氨基酸和核苷酸之間合適的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)關(guān)系對于遺傳密碼的起源和進(jìn)化中至關(guān)重要，而遺傳密碼（楊,2005）是研究所有物種進(jìn)化最原始的資料。RNA世界假說承認(rèn)RNA在前生命進(jìn)化中有著重要的作用。核苷酸需要陽離子來抵制它結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的排斥力，并且它的三級螺旋是和普遍存在于有機(jī)體中的D-核糖結(jié)構(gòu)相互關(guān)聯(lián)的。（Goto et al.2008）實(shí)際上，手性的谷氨酰胺，其L-同分異構(gòu)體比D-同分異構(gòu)體對RNA分子有著更高的吸引力。（Serganov和Patel,2009;Ames和Breaker,2011）.只有非手性的甘氨酸才獨(dú)立于這種RNA因子。一般地，蛋白鍵的形成和消除均是RNA指導(dǎo)的，并且是由核糖體的肽基轉(zhuǎn)移中心（PTC）實(shí)現(xiàn)。計(jì)算表明其結(jié)構(gòu)很有可能是起源于原核糖體。（Huang等.,2013）。PTC只接收被信使RNA（mRNA）編碼的L-氨基酸。蛋白的生物合成需要氨基酸和RNA的共同作用（氨酰tRNA合成酶催化每種氨基酸形成氨?；虚g體），隨后，核酸肽基轉(zhuǎn)移酶催化肽鍵形成（由氨酰tRNA的氨基攻擊tRNA的羧基）最后，釋放肽鍵。整個(gè)過程需要不同類型的RNA：mRNA，tRNA，rRNA和一些其它的分子物質(zhì)。tRNA有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其氨基酸催化位點(diǎn)和表達(dá)位點(diǎn)相距較遠(yuǎn)。（Morgens和Janssen,1990）.其原始的氨基酸催化位點(diǎn)可能能催化手性蛋白的合成（Tamura,2008,2009）;所以，就核糖開關(guān)和核酶而言，研究RNA和氨基酸的關(guān)系可以搞明白原始肽鍵的合成。在2002年，人們已經(jīng)確定了核糖開關(guān)、多聚核糖核苷酸的部分調(diào)節(jié)功能。它們與一些具有高度選擇性的配體（比如說氨基酸、核糖核酸酶、維生素以及一些無機(jī)離子）相結(jié)合，。他們中大部分是在廣泛pH下被質(zhì)子化的化合物（比如說嘌呤、氨基酸、L-賴氨酸和L-谷氨酰胺）或其它不活躍的陽離子（Mg2+）。（Cochrane和 Strobel,2008;Blouin等2009;Zhao等2011;Serganov和 Nudle,2013）.典型的核糖開關(guān)有兩個(gè)結(jié)構(gòu)位點(diǎn)：結(jié)合位點(diǎn)和與之相關(guān)的表達(dá)位點(diǎn)。每一個(gè)物種的核糖開關(guān)都有一個(gè)口袋的結(jié)構(gòu)與其結(jié)合位點(diǎn)相適應(yīng)，并且這個(gè)口袋的結(jié)構(gòu)及其相關(guān)基因序列非常的保守，這就表明了物種有共同的起源。（Barrick和Breaker,2007;Baster等，2011）.核糖開關(guān)配體的出現(xiàn)可能預(yù)示著蛋白的出現(xiàn)。（Winkler等,2002）.一些核糖開關(guān)的配體可以被認(rèn)為是前生命時(shí)期的遺跡，比如核糖酶（Schwogler等,2000）和維生素（Cernak 和Sen等，2013）。另一方面，一些輔酶比如說氨基酸（Hanic等,2000;Parker等,2011）,無機(jī)離子和核糖核酸酶等也可能是前生物大分子。（Jadhav和Yarus,20002）共存物種的核糖可以作為變構(gòu)開關(guān)來激活核酶（Breaker,2011;Kang等,2014）。在未翻譯的mRNA區(qū)域內(nèi)，一些結(jié)構(gòu)可以準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)核酶的活動而不依賴于輔助蛋白的幫助。（Strobel,2008;Breaker,2011）。核酶的反應(yīng)級數(shù)很小，（Coleman和Huang,2002;Cochrane和Strobel,2008）但一些由前生命期到有機(jī)分子階段的轉(zhuǎn)型卻是由核酸酶催化發(fā)生的。由于核酸酶反應(yīng)的低效性，蛋白結(jié)構(gòu)中先進(jìn)的復(fù)合體結(jié)構(gòu)也許會使其顯得過時(shí)了（Hiller和Strobel,2011）。另外，相對于脫氧核糖核酸而言，每個(gè)核糖核苷酸提供的2羥基可以促進(jìn)質(zhì)子轉(zhuǎn)移和氫鍵的形成（Hiller和Strobel,2011），這可以提高催化活性。多聚核糖核苷酸的催化活性可能對促進(jìn)前生命階段的生化反應(yīng)有著重要作用，其穩(wěn)定的存在有一種負(fù)電轉(zhuǎn)移機(jī)制。（Fedor,2002）。一些金屬離子或者由氨基酸及其衍生物組成的可電離的有機(jī)分子（Frausto da Silva 和 da Sliva,2011）（Coleman和Huang,2002;Cochrane和Strobel,2008）可以擺脫這種負(fù)電轉(zhuǎn)移機(jī)制的限制。在前生命時(shí)期下，多聚核糖核苷酸數(shù)量的增長和結(jié)構(gòu)的改變可能會增強(qiáng)它與一些生物分子（比如說氨基酸）的相互作用關(guān)系，這樣會拓寬多聚核糖核苷酸催化的有效pH值范圍，并且為缺水環(huán)境中的一些其它反應(yīng)提供了新的化學(xué)基團(tuán)。2、最原始多肽形成的假想既然序列隨機(jī)的多聚核糖核苷酸可以具有催化和具有結(jié)合氨基酸的能力，那么本身只有四種類型的核苷酸，作為氨基酸的搖籃，這大大增加了合適的核苷酸與氨基酸發(fā)生隨機(jī)裝配的可能性。（Lozupone等,2003）隨機(jī)形成的多肽類相對于氨基酸有著更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和更大的分子量，這就暗示著前者與多聚核糖核苷酸的相適合的可能性更低。與此相反的是，多肽類和多聚核糖核苷酸更容易形成協(xié)同作用。這就表明蛋白質(zhì)最早可能出現(xiàn)在多聚核糖核苷酸的環(huán)境中（Hiller和Strobel,2011）。正是由于它們之間的吸引力，氨基酸、核糖核酸酶或核糖開關(guān)的配體可能是多肽類形成最早的材料。但是一些氨基酸（或作為核糖核酸酶的結(jié)構(gòu)分子）作為核糖開關(guān)的配體并不被密碼子編碼并且其前生命時(shí)期的合成并不為人所知。前生命期的氨酰化作用最早可能是由親核體（多聚核糖核苷酸帶的磷酸基團(tuán)帶有可連續(xù)反應(yīng)的結(jié)構(gòu)）的去質(zhì)子化作用和快速釋放基團(tuán)（水）的去質(zhì)子化作用引發(fā)的。（Hiller和Strobel,2011）前生命期多聚核糖核苷酸的磷酸基團(tuán)和氨基酸（或者是核糖核酸酶）之間的反應(yīng)也許可以活化最初的氨?；磻?yīng)。既然生物反應(yīng)可以由有著確定結(jié)構(gòu)和功能的核酶（肽基轉(zhuǎn)移酶）催化，那么，自然中含量豐富的陽離子Mg2+很有可能參與了生物多肽的合成（Polacek和Mankin,2005）,而另一方面，由于Mg2+的某些化學(xué)功能，在前生命期它也會有其它一些貢獻(xiàn)，比如說幫助反應(yīng)物去質(zhì)子化或者去除反應(yīng)中的某些不必要基團(tuán)。氨基酸和核糖核酸酶（作為物種的核糖開關(guān)）的某些特性表明它們最終參與前生命期多肽類的合成?？紤]到賴氨酸-甲硫氨酸信號分子在氨酰-tRNA合成酶催化位點(diǎn)一級結(jié)構(gòu)的重要性，賴氨酸和甲硫氨酸作為S-腺苷-L-蛋氨酸也可以用于分析早期多肽類的合成。賴氨酸的兩個(gè)胺基團(tuán)可以與多聚核糖核苷酸的磷酸基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)。磷酸基團(tuán)的氧原子負(fù)電性大于賴氨酸，這就增加了賴氨酸羧基的親電性（Desogus等,2000）。另外，賴氨酸的R基團(tuán)可為氨?；饔弥该鞣较?。盡管其它的一些氨基酸的R基團(tuán)中也含有氮原子，但作為核糖開關(guān)（L-谷氨酰胺）的單體氨基酸，L-賴氨酸的R基團(tuán)的原子更不活躍，這就降低了副反應(yīng)的發(fā)生。另外，在編碼的氨基酸中，賴氨酸增強(qiáng)了相關(guān)tRNA的氨?；饔?。（Fraser和Rich,1975）基于肽鍵的形成能力，人們在試管中加入核酸酶（Zhang和Cech,1997）、L-賴氨酸、S-腺苷-L-蛋氨酸、多聚核糖核苷酸和一些氨酰tRNA合成酶讓其反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)表明，S-腺苷-L-蛋氨酸可能是L蛋氨酸的一種活化狀態(tài)（在所有細(xì)胞中結(jié)合L-蛋氨酸的tRNA是翻譯開始的信號（Benelli和Londei,2009）。L-賴氨酸S-腺苷-L-蛋氨酸R基團(tuán)中的氨基被具有親核特性的多聚核糖核苷酸的磷酸基團(tuán)活化然后進(jìn)一步促進(jìn)多肽鏈的延長。奇怪的是，核糖核酸可以作為變構(gòu)開關(guān)