写在前面

    怎么说呢，这个系列就是把自己的homework拿出来晒一晒，也就是图一乐丢人现眼一下，因为本人能力和知识范围有限，难免会有错误，请谅解一下，也就是仅供参考。引文都有标注，如果有侵权的可以联系我。欢迎各位大佬多交流，提问题、指错误。要是能关注一波那就更好了！

关于“the RNA world”假说及其相关研究的思考

——Repopulating the RNA world阅读心得

1 “the RNA world”假说

1.1 “the RNA world”假说的提出

一直以来，生命起源都是生命科学领域探索的终极问题，关于生命起源长期存在着一个悖论:生物分子如何可能通过自然选择进化到首先控制自己的复制。现今，这个过程是复杂分子相互作用的良好协调组合的结果，这些相互作用本身都不代表一个生命系统。任何一个组件的孤立发展都会引发“chicken or the egg causality dilemma”的难题。科学家们普遍认为非生命的化学物质不可能通过单一的步骤产生单细胞生命，所以一定存在着中间体-细胞前的生命形式，而在各种细胞前的生命形式假说中，最受欢迎的就是“the RNA world”。[1-2]

1986年，随着多种RNA核酶催化活性的发现，Walter Gilbert基于20世纪60年代各位科学家提出的RNA为原始生命分子的思想,首次正式提出了“the RNA world”的假说。他设想早期生命起源阶段存在着一个原始的、只含有RNA的世界：RNA分子催化自我复制，通过自我剪接产生具有功能活性的RNA分子，通过内含子形成的转座元件不断重排以适应不同环境。随着RNA适体分子的出现，RNA分子结合并排列活性氨基酸分子，形成了早期的蛋白质。最终，RNA分子通过逆转录形成DNA分子，并逐步被更稳定的双链DNA分子取代。[3]

1.2 支持“the RNA world”假说的证据

首先，RNA分子的自我复制能力有力地支持了RNA世界假说。一方面，核酶可以催化RNA链的复制。2001年Wendy K. Johnston等人通过对I族内含子的自剪切RNA酶进行修饰，并进行反复突变和筛选，获得了催化RNA复制的核酶，它以单核苷酸三磷酸为底物，可以在引物后连续地添加14个核苷酸，且具有较高正确率（96%-99%）的同时还没有复制序列限制。[4]2011年Aniela Wochner等人通过改造、进化、重组等方法，获得了一种通用的RNA聚合核酶tC19Z，并用其合成了具有活性的锤头型内切核酶。同年Christopher Deck等人揭示了活化核苷酸水解产物对合成RNA链延伸的抑制作用，并且通过固定RNA模板链以及定期更换活性核苷酸单体，实现了含A\G\C\U的RNA模板扩增。这暗示在生命早期寡核苷酸链可能在某些物质表面形成并扩增。2016年David P. Horning和Gerald F. Joyce通过体外进化的方法，获得了高速度（超过野生型100倍）的RNA聚合核酶24-3。这种核酶摆脱了之前聚合酶对无高级结构、富含C的模板的偏好，可以扩增功能RNA如适配体、核酶以及tRNA。同时研究者们利用这种核酶进行了短片段RNA的PCR扩增，而这种PCR过程被认为可能是早期RNA扩增的形式，由热液体的周期性喷发或冷热液体对流导致，这与早期生命起源于海底热泉口的假说相呼应。[5]

另一方面，一些研究者认为核酶这种自催化增殖方式在细胞等区室化的环境内可能是稳定的，而在早期世界的溶液中鲁棒性不佳，因此他们通过多种RNA的协作，实现稳定的RNA复制。2009年Tracey A. Lincoln和Gerald F. Joyce构建了一种交叉催化的RNA复制系统，两种核酶以四种寡核苷酸链为底物互相催化合成，可以进行持续的指数扩增。2012年Nilesh Vaidya等人构建了RNA复制子协作网络，多个RNA分子互为模板并相互催化，而且与自催化的RNA分子相比，多RNA分子复制网路的扩增速度要更快。这可能是早期生命用于减少有害突变，缓冲遗传信息衰减的一种策略。[5]

 此外，“the RNA world”的起源问题还涉及到核苷酸的无酶合成，以及核苷酸的无酶聚合。尽管已经证实了RNA核酶具有催化RNA复制的能力，但研究者们仍然需要关注于进化出核酶前RNA是如何进行合成、扩增的。2009年Matthew W. Powner等人以氰胺、氰基乙炔、乙醇醛、甘油醛和无机磷酸盐为原料，通过阿拉伯糖氨基-噁唑啉和脱水核苷中间体，合成了活化的嘧啶核糖核苷酸，这说明早期世界中合成核苷酸的方式不一定是目前细胞中的“磷酸-核糖-碱基”形式，而可能采用其他路径。其实验中所使用的原料及合成条件与早期地球化学模型相一致。而在2016年，Sidney Becker等人利用甲胺磷嘧啶与糖的缩合反应，实现了产率达60%的天然N-9核苷类化合物的产生，为嘌呤核苷在早期世界的产生提供了一个可行的方案。值得一提的是，嘌呤核苷可以由甲酸和氨基嘧啶反应得到，而氨基嘧啶和甲酸可以由在彗星上发现的小分子（如HCN、NH3等）得到。而对于核苷酸的无酶聚合，在1996年James P. Ferris等人利用固体介质实现了55个核苷酸单体的多聚替，而在相同的条件溶液中只能造成10个活性单体的多聚，这也与上文提到的Christopher Deck等人的工作不谋而合：或许在早期世界中，固体介质是RNA形成及扩增的重要影响因素。[5]

此外，“the RNA world”的发展去向的证据对该假说也有支撑，其去向为两个：大部分存储遗传信息的功能被DNA所取代，大部分直接催化生理反应的功能被蛋白质所取代。

DNA与RNA相似的结构，以及能形成杂交双链的性质，可能是DNA取代RNA成为大多数生物遗传信息的关键。2012年Geoffrey S Diemer和Kennech M Stedman通过生物信息学分析，发现一种单链DNA病毒的衣壳蛋白基因与一些单链RNA病毒中的非常相似。这种现象可能是病毒间RNA-DNA重组的结果，而这种重组机制可能是RNA向DNA转变的结果。2018年Angad P. Metha等人构建并表征了一种含有DNA-RNA杂交基因组的大肠杆菌菌株，其基因组中含有约40-50%的核糖核酸成分。这种大肠杆菌的存活说明DNA-RNA杂交链并不致死，并可能在早期世界存在过。[5]

蛋白质存在于RNA世界的有力证据是核糖体的催化中心是一个核酶，这些说明蛋白质的编码也是在RNA世界产生的。2000年Luis Delaye和Antonio Lazcano发现基因组中涉及到与RNA相互作用的蛋白结构域都高度保守，这说明这种相互作用可能存在与生命早期，用以稳定RNA的结构。2018年Celia Blanco等人对非蛋白适配体复合物进行了动力学模拟以确定对RNA世界重要的氨基酸种类，发现带正电荷和芳香类氨基酸的作用更强，其结合焓主要由静电力决定, 正电氨基酸更容易与RNA结合。2022年。Carell等人发现，一些非常规RNA中可能可以通过早期地球上的简单分子合成的，而RNA碱基可以与氨基酸合，从而提高氨基酸连接在一起成肽的可能性。同时，当非常规RNA碱基和互补RNA链结合在一起时，它们最初共享的氨基酸会加强两条RNA链的结合。这表明肽和RNA的形成可能是协同作用的：RNA可能有助于形成肽，肽可能有助于稳定和形成更长的RNA。[5][6]

1.3 对“the RNA world”假说 的质疑

从50年前“the RNA world”假说提出以来，对其的研究和争论一直没有间断，纽约大学的化学家夏皮罗曾说：“根据化学运作原理，要形成这样一种分子绝不可能。在这个领域里，这是不可能的事。要接受这个观点，除非你相信我们有难以置信的幸运。此外美国宇航局在1996年的一份报告中明确指出，围绕RNA世界概念的“重大困难”包括RNA的化学脆弱性及其狭窄的催化活性范围。生物化学家哈罗德·伯恩哈特也有同样的担忧，在2012年的一篇生物学论文中，他将这一概念称为“生命早期进化的最糟糕的理论”，其指出，RNA分子的复杂性意味着它不可能是益生元产生的;RNA是不稳定的，并且具有有限的催化性质。此外，2017年Jesse V. Gacette等人则向“RNA世界”假说提出了挑战，他们检测显示异源RNA-DNA双链嵌合体的稳定性显著降低，阻碍碱基正常的相互作用及功能发挥。这说明从一个同源RNA系统向RNA/DNA系统转变的困难，因此这可能意味着RNA与DNA分子是同时形成、存在、演化的。[5][7]

2思考

  纵观对生命起源问题的探究历程，从最初的原始汤理论到“the RNA world”假说，可以发现，大多的研究都是基于现今发生的生命现象提出相应假说，并在实验室当中进行模拟实验推断假说的合理性，通过对如今各生命现象的不断研究发现新型证据的陆续填充来不断修正原有假说，但正应如此，绝大多数的实验往往只能在实验室条件进行，而又由于对早期地球环境知之甚少以及技术条件的限制，实验室无法完全早期地球环境复杂混乱的环境，只能多增添几个变量，但是变量的增多又会导致实验分析难度成几何倍的增加。对于生命起源的研究目前正是以这种步履蹒跚的形式不断向前。

那么我们是否可以在自然环境或者近自然条件下进行简单的定性实验来代替实验室模拟？或者通过神经网络等AI技术的不断突破与加入，进行计算机模拟来帮助我们研究生命起源？

参考文献：

[1] https://www.sciencealert.com/rna-world-hypothesis

[2] https://zhuanlan.zhihu.com/p/521289562

[3] Gilbert W . Origin of life: the RNA world[J]. Nature, 1986,319(6055):618-618.

[4] Strobel, S. Repopulating the RNA world. Nature 411, 1003–1005 (2001). https://doi.org/10.1038/35082661

[5] https://zhuanlan.zhihu.com/p/67476500

[6] Müller, F., Escobar, L., Xu, F. et al. A prebiotically plausible scenario of an RNA–peptide world. Nature 605, 279–284 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04676-3

[7] Bernhardt HS. The RNA world hypothesis: the worst theory of the early evolution of life (except for all the others)(a). Biol Direct. 2012 Jul 13;7:23. doi: 10.1186/1745-6150-7-23. PMID: 22793875; PMCID: PMC3495036.