本科生课程论文论文题目关于生命起源于RNA 的研究完成时间2016年1月4日 课程名称进化生物学任课老师 赵勉 专业生物技术年级2012级关于生命起源于RNA的研究摘要生命起源于RNA世界是目前生命起源的一个广为流行的观点，在现存的生命现象中存在大量的所谓“化石”证据。

本文旨在综合各项从生命现象中心法则、基因组结构、RNA 的生物学功能、DNA合成等方面的研究，探讨分析RNA现存的广泛功能及作为生命起源的证据。

关键词：生命起源 RNA世界一、RNA世界学说关于独立的RNA生命型态概念，是在1968年由卡尔•沃斯（Carl Woese）所著的《遗传密码》（The Genetic Code）一书中所建立。

此外亚历山大•里奇（Alexander Rich）也曾于1963年提出类似想法。

米勒曾提出：“生命和非生命之间最基本的差别就是复制”。

大多数生物细胞靠DNA的自我复制在细胞世代间传递遗传信息，DNA将遗传信息转录给RNA，以RNA为模板翻译成蛋白质，包括各种酶类。

但少数RNA病毒靠RNA自我复制传递遗传信息；某些RNA也可以在一定条件下充当酶（核酶，ribozyme）的角色，催化蛋白质合成，还能催化新的RNA（rRNA、tRNA和mRNA）合成；核酶对RNA的剪切和短链RNA的聚合也有催化作用。

由于RNA有多重功能，现在多数学者认为地球上出现的第一批基因和酶，不是DNA和具有催化功能的蛋白质，而是在非生物世界中能开始自我复制的短链RNA。

实验也证实核苷酸单体在黏土表面可形成短链RNA分子，新合成的RNA分子还可与原始RNA分子互补配对。

人们推测某些混合的核苷酸单体，，可自发结合成短链RNA，短链RNA作为第一基因，又以自身编码的信息为模板，依靠RNA的催化功能进行自我复制，这种以RNA同时作为第一个基因和唯一具有催化功能的分子的学说，被称为“RNA世界假说”。

“RNA世界”一词是由诺贝尔奖得主沃特•吉尔伯特（Walter Gilbert）于1986年提出，是依据现今RNA具有各种不同型态的催化性质所做的推论。

二、生命起源于RNA世界的现存证据1遗传信息的传递中心中心法则阐明了现存生命形式中遗传信息传递的规律。

多数生命形式特别是高等生命形式是以DNA为遗传信息载体的，通过转录将遗传信息传递给RNA，再由RNA指导蛋白质合成，蛋白质通过其特定的生物学功能，反映出特定的碱基排列顺序所编码遗传信息的物理化学意义。

在某些低等的病毒中还存在从RNA到DNA的逆转录形式，中心法则因此被修正为“广义中心法则”。

可以看出，在生命形式的进化发展过程中，只有RNA才具有既联系DNA同时又联系蛋白质的能力，DNA分子和蛋白质之间并不存在直接的联系，但RNA与蛋白质形成的核糖核蛋白体是最基本的细胞器，RNA作为更为古老的大分子，应当早于DNA和蛋白质分子出现于原始地球。

随着生物物种的不断进化，生物多样性和物种的稳定性相互矛盾地运动，使得容易变异、结构和功能简单的RNA分子无法继续扮演原有的角色，随之将其遗传信息载体的功能赋予了具有更加稳定的分子结构和复制机制的DNA，而将其具有的催化及其他生物功能交付于更具结构多样性的蛋白质去完成。

RNA通过联系DNA和蛋白质，广泛地控制着遗传信息的传递、流向以及表达，不但给自己在生命形式中留有一席之地，而且继续充当重要的角色[1]。

2简单的基因组结构根据由简单到复杂的演化规律，作为现存生命最简单形式的病毒，可能是低等古老的生命类群。

现存病毒中RNA病毒类型众多，DNA病毒种类相对较少。

比较它们的基因组结构，RNA病毒基因组比较简单，多为一个读码框，编码一个由多个蛋白单位组成前体蛋白，前体蛋白被剪切成功能蛋白;DNA病毒一般有多个读码框，往往含有基因重叠现象，而且有调控序列。

这反映了RNA病毒基因组结构的简单性，编码蛋白只是满足病毒生活史的最低要求;而DNA病毒有着更为复杂的基因组结构，编码的蛋白也有了更多的功能分化。

另外从分子结构上看，DNA有着更为精细的组织结构，其结构的复杂性可从染色体的四级结构上略见一斑，而RNA只是一种组成单一、结构简单的单链分子。

另外，相对于RNA,DNA复制有着更加完善的复制系统和防止变异的“纠错”机制，而RNA合成的体系相对简单，RNA复制酶因没有校对功能，使RNA病毒具有更高的变异性，这种变异性正好为生物多样性的建立奠定了内在机制。

从基因组结构上看，类病毒是最简单的RNA病毒，而逆转录病毒应当是高等的RNA病毒。

3广泛的生物学功能作为古老分子，RNA功能的多样性远超过DNA。

虽然RNA遗传信息载体的功能被DNA取代，生命执行功能(包括催化)“让位”于蛋白质，但其功能的多样性仍然延续到现存的生命形式中，例如:DNA合成中RNA引物保证DNA分子能够完成半保留复制;端粒酶中RNA分子保证DNA分子复制的完整性;snRNA通过参与RNA的后加工，决定外显子的完整拼接;通过mRNA, tRNA , rRNA等直接参与蛋白质表达;通过micRNA及RNAi等小分子形式调控功能性基因的表达(或沉默)[2]。

此外，除了作为RNA合成的原料外，生物体中广泛存在着功能性的核昔酸小分子。

令人吃惊的是，这些小分子都是以核昔酸作为原料而非脱氧核昔酸，如作为辅酶或辅基参与代谢的NADP、FAD,CoA等，能量通用货币ATP，参与代谢的GTP,UDPG，典型的细胞信号分子cGMP, cAMP等等。

这间接反映出RNA及各种单体形式曾经作为占主导地位的分子形式存在于生命起源的某一时期，致使其中的一些未被替代的功能分子遗留到现在，成为从RNA世界继承下来的“活化石”。

4 DNA合成依赖于RNA经典生物化学研究揭示，DNA合成以RNA以及核糖核昔酸的存在为前提条件。

由于DNA 聚合酶没有合成的起始功能，DNA链的合成需要RNA引物提供可延长的3'-OH末端。

作为DNA 合成原料dNTP(脱氧核昔三磷酸)，又是经过还原酶催化，在NDP水平上(即核昔二磷酸)脱氧转化而来[3]。

这与原始地球上化合物都以氧化态的形式存在的事实相吻合，先存在核糖，后出现脱氧核糖。

在碱基组成上，DNA只有4种碱基，RNA却含有多种碱基形式，即使构成DNA的T，可以认为是构成RNA的U通过甲基化作用转化而来，而甲基化作用在生物界是非常普遍的现象[4],DNA的4种碱基是环境对遗传分子稳定性要求选择的结果，是从RNA多种形式的碱基进化而来。

三、关于核糖体的研究支持生命起源的“RNA世界”模型核糖体是将所有的生命中的遗传信息翻译成蛋白质的分子工厂，首次得到的原子分辨率的一个大的核糖体子单位(ribosomal subunit)的结构图展示了一些出人意料的细节，增强了对地球上生命起源的“RNA世界”模型的支持。

《科学》杂志上有两篇研究文章，一篇报告和一篇研究评述描述了这一结构，以及其深远的意义。

长期从事核糖体研究的科学家Peter B. Moore和Thomas A. Steitz以及他们的同事们报告了来自嗜盐细菌Haloarcula marismortui上的一个大的核糖体子单位的分辨率为2.4埃的完整的原子结构。

这一子单位包括两个核糖体RNA(rRNA)分子和31个蛋白质。

这些研究人员发现rRNA域(domain)象核糖体中的3维拼图玩具的组成部分那样互琐，从而构成一个单一的实体。

伴随的球状蛋白质在核糖体外部围绕着rRNA，有些蛋白质的奇形怪状的延伸进入到核糖体的实体中。

但核糖体上的活性部位(active sites)--那些催化蛋白肽链形成的地方--只包括rRNA[5]。

研究人员们说，核糖体蛋白质本身似乎不参与将遗传信息变成蛋白质的反应，它们的作用也许类似于粘土或砂浆，将关键的rRNA“砖”粘在一起。

这些研究人员的第二篇文章指出，上述结构意味着核糖体实际上是一种核酶，既一个可以催化自身化学反应的RNA分子。

这个大的核糖体子单位包括了一个从它和一个小的核糖体子单位的接触点到它后面的隧道(tunnel)，这个隧道是核糖体工厂“装配线”的主要出口，在更多的氨基酸被加上去后，它将多肽链不断地送出[6]。

在隧道的入口处一个深的裂缝的底部是肽链形成的活性部位，研究人员在这里仔细观察了这个全RNA域的催化性能。

这些核糖体上的部位是从哪里、怎样获得催化能力的？根据嗜盐细菌的研究者和Gregory W. Muth及其同事对大肠杆菌(E. Coli)核糖体的活性部位的相应的工作，rRNA上一个似乎所有活着的物种都保留下来的位置上的单一的核苷酸硷基，具有正合适的酸硷性质从而能做肽键形成的质子的供体和受体。

这些核糖体中RNA的独立和主角的作用可能进一步支持了地球上的生命起源于RNA的观点，因为RNA是一个即能存储遗传信息又能催化反应来繁殖其它分子的分子。

Thomas R. Cech因为发现RNA的催化性能而共享了诺贝尔化学奖，他在相关的研究评述中讨论了这些发现，以及RNA世界的可能性。

四、真正的分子祖先新研究的共同通讯作者、芝加哥大学分子遗传学和细胞生物学副教授 Jonathan Staley 博士说：“真核基因表达的三个重要过程，其中有两个——剪接和翻译现在被证实是由 RNA 催化。

真核基因表达信号通路与其说是一条基于蛋白质的信号通路，不如说是一条基于 RNA 的信号通路。

”为了实现基因表达，必须将 DNA 翻译为蛋白质，这些结构和功能分子催化了生命所需的化学反应。

为此，储存在 DNA 中的遗传信息首先会被复制到信使 RNA （mRNA）链中，随后这些 mRNA 被用于制造蛋白质。

在真核生物中，几乎所有的基因都进行选择性剪接， mRNA 前体按许多不同的组合进行切割再连接到一起。

这显著地增加了单个基因编码的蛋白质数量，被认为是导致高等生物体大量复杂性的原因。

剪接是一个至关重要的生物学机制——至少15%的人类疾病是由于剪接错误所致。

剪接体是由蛋白质和短非编码 RNA 片段构成，其通过催化作用来完成剪接。

在生物过程中催化作用通常被认为是以蛋白质为基础的酶所为。

然而，以往的研究则提示对之负责的有可能是剪接体中的 RNA 。

尽管经历了数十年的研究，到目前为止这一问题仍未获得答案。

为了解答这一问题，Staley 和芝加哥大学生物化学、分子生物学和化学教授 Joseph Piccirilli，与论文的共同主要作者、研究生 Sebastian Fica 及 Nicole Tuttle 展开了合作。

研究人员首先使得剪接体丧失了自我纠正剪接错误的能力。

随后他们改变了剪接过程中已知被切割的 mRNA 前体位点上的单个原子，以及被猜测对催化作用极其重要的剪接体RNA 亚基——U6 上的几个原子。

其中的一些改变导致了剪接不力。