Only Perception: 核醣體演化研究挑戰「RNA World」假說

2012-04-18

核醣體演化研究挑戰「RNA World」假說

Study of ribosome evolution challenges 'RNA World' hypothesis
http://phys.org/news/2012-03-ribosome-evolution-rna-world-hypothesis.html

March 12, 2012

最初的時候，那裡 -- 包括核醣體（ribosome，細胞建構蛋白質的工作台） -- 是核糖核酸（ribonucleic acids），這種我們稱為 RNA 的分子，今日在細胞內負責許多關鍵功能。然而根據一項新分析，甚至在核醣體為了蛋白質合成而招募許多有效部份（working parts）之前，蛋白質就已現身並與 RNA 進行交互作用了。這項發現，挑戰一項存在已久的、關於早期生命演化的假說。

這項研究出現在 PLoS ONE 期刊中。

「RNA world」假說 -- 首度在 1986 年於 Natura 期刊的一篇論文中被提倡，且經過辯論與詳盡闡述超過 25 年之久 -- 假定，分子演化的第一階段涉及到 RNA 而非蛋白質，蛋白質（以及 DNA）之後才浮現，Illinois 大學作物科學家暨基因組生物學研究所教授 Gustavo Caetano-Anolles 表示，他領導這項新研究。

"我確信 RNA world（假說）並不正確，" Gustavo Caetano-Anolles 說。"若沒有牽扯到蛋白質，核酸的世界將不會存在。"

核醣體是一部「ribonucleoprotein machine（核醣核蛋白機器）」，是一種複合體，能有多達 80 種蛋白質與許多個 RNA 分子進行交互作用。所以這個大雜燴（assemblage）是漫長且複雜的漸進式共同演化過程的結果，並不令人感到意外，Caetano-Anolles 表示。此外，"你無法讓 RNA 自己進行「蛋白質合成」這種分子功能，那對於細胞來說是必要的。"

RNA world 假說的支持者在沒有適當科學支持的情況下，為核醣體的演化起源製造出基本假設，Caetano-Anolles 說。這些假設最根本的部份是：負責蛋白質合成、胜肽醯轉移酶中心（the peptidyl transferase center，PTC）活化位置的那部份核醣體，是最古老的。

在這項新分析中，Caetano-Anolles 與畢業生 Ajith Harish（現在是瑞典 Lund 大學博士後研究）以核醣體蛋白質、核醣體 RNA（ribosomal RNA， rRNA）的普適成份為研究對象，進行了嚴謹的分子分析 -- 挖掘內嵌在其結構中的演化資訊。（他們亦分析核醣體 RNA 的熱力學特性。）他們用這樣的資訊來產生核醣體 RNA 與核醣體蛋白質之演化史的時間線。

這二者 -- 獨立產生的核醣體蛋白質與核醣體 RNA「譜系樹」 -- 彼此展現出「顯著的全等（great congruence）」，Caetano-Anolles 說。例如，圍繞 PTC 的蛋白質與來自該處的核醣體 RNA 一樣老。事實上，在二個使核醣體結合的主要次單元演化之後（它們之間有 RNA 橋接形成，使這種關係穩固），PTC 就出現了。

這份時間線指出，PTC 就出現在蛋白質--RNA 複合體的其他區域之後，Caetano-Anolles 說。這強烈暗示：首先，當核醣體 RNA 被招募過來協助建造蛋白質之前，蛋白質已到處存在；其次，在核醣體 RNA 選擇協助蛋白質合成這個角色之前，曾從事其他任務，他說。

"這是謎團的關鍵部份，" Caetano-Anolles 說。"如果核醣體蛋白質與核醣體 RNA 的演化性累積以及它們之間的互動是逐漸地、一步步地的發生，核醣體的起源不會是 RNA world 的「產物」。相反地，那必定是核醣核蛋白世界（ribonucleoprotein world）的產物，一種類似我們自己的古老世界。那像是細胞機器的基本建構基石，從生命伊始一直到現在都一樣：演化與交互作用中的蛋白質與 RNA 分子。"

"這是一篇由蛋白質演化領域中最具創新且多產的研究者之一所完成的、非常迷人且刺激的文章，" UCSD 研究教授 Russell Doolittle 表示，他並未涉及此研究。然而，Doolittle 依然為「某些早期的蛋白質是在核醣體演化成蛋白質製造系統前產生的這個概念」感到困惑。他納悶，"（如果蛋白質比在今日製造出絕大多數蛋白質的核醣體機器更加古老）這些早期蛋白質的胺基酸序列如何被「記憶」與合併到這個新系統中。"

Caetano-Anolles 同意，這是一個「重要、根本的問題」，那必須被回答。

"那需要了解在蛋白質演化非常早期階段期間，生物功能浮現的邊界，" 他說。然而，他表示，"催化非核醣體蛋白質合成 -- 細胞一種複雜（complex）且似乎普適的組裝線過程，那並沒有涉及 RNA 分子，且仍可維持高度專一性 -- 的那些蛋白質，比核醣體蛋白質更加古老。因此核醣體很有可能不是第一個合成蛋白質的生物機器。"

Caetano-Anolles 也提到，核醣體系統的專一性 "依賴經適當標記（tagged）RNA 的胺基酸的供應（為了能忠實轉譯遺傳密碼）。這種標記僅基於蛋白質而非 RNAs，" 他說。這暗示，他說，RNA 分子一開始的時候是輔因子（co-factors），那協助蛋白質合成並且微調它，導致今日精密的核醣體機器存在。

※ 相關報導：

＊ Ribosomal History Reveals Origins of Modern Protein Synthesis
http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0032776