顶级科学家Science发现第一个自复制RNA酶

　　

生物通报道：来自美国斯克利普斯研究院（The Scripps Research Institute）的两位科学家在回答生物如何起源这一问题上迈出了一大步，第一次合成了无需任何蛋白，或其它细胞组件，就能自我复制的RNA酶，并且是这个酶能无限期的进行复制。这一研究成果公布在1月8日的《Science》杂志在线版上。

文章的通讯作者是斯克利普斯研究院的Gerald F. Joyce教授，他1978年毕业于美国芝加哥大学，目前任斯克里普斯研究院分子生物学系教授，其研究领域包括RNA生物化学及通过体外进化技术开发新型RNA和DNA聚合酶。Joyce教授对早期生命化学比较感兴趣，曾揭示了新型RNA聚合酶可能在早期生命形成过程中扮演重要角色。他的研究目标是在实验室总结RNA世界的生物化学性质及达尔文进化论在分子水平上如何构建生命世界。目前已经在《自然》、《科学》等权威杂志发表过数十篇论文。

DNA被认为是高等生物遗传序列的携带者，RNA则需要依赖于DNA执行其功能，比如蛋白合成功能，但是生物起源的一个重要的理论，即RNA世界模式，认为由于RNA既能作为基因，又能行使酶的作用，因此在DNA和蛋白出现之前，RNA也许就已经是生命的早期分子了。然而生命的基础定义：拷贝遗传分子的过程实际上十分复杂，包含了许多蛋白和细胞组件。

许多年来研究人员都希望能找到拷贝RNA的简单方法，之前Joyce教授实验室进行了一些简单的早期阶段实验，但是至今还没有人能证明RNA复制能自我完成，即产生能自我复制的新RNA拷贝。

在这篇文章中，研究人员综合了实验室里大量的RNA酶突变体，进行了试管实验，筛选能最熟练进行RNA片段合成的突变体，最终经过多年的努力，他们终于分离出了一种非常有效的复制酶。

这种复制系统实际上包含了两种酶，每种酶有两个亚基，可以相互催化组装，这个复制过程也是循环的：第一个酶结合到组成另一个酶的两个亚基上，共同完成第二个酶的新拷贝，然后同样第二个酶结合到第一个酶的两个亚基上，复制第一个酶，这样这两个酶就能相互组装复制，这被称为交叉复制（cross-replication，生物通译）。

研究人员并没有停留在这一步，他们又获得了许多不同的具有相似功能的对酶，他们将12个不同的交叉复制的对酶混和在一起，并且加入所有的构成亚基，让它们进行竞争，大多数时候，复制能真实完成，但是有时也会出现一个酶错误的结合到了其它亚基上，当这种错误出现的时候，重组出来的酶也具有自我复制的能力，最终成为混合物中占主要数目的酶。Joyce教授说，“这才是我认为最大的研究成果。”

研究人员发现这个系统能保存分子信息，也能进行以类似于达尔文进化的方式发生变异，因此作者认为，“这些是没有生命的，但是我们发现它具有一些生命特征，这确实非常有意思。”

Joyce研究组希望能将他们的发现应用到分子诊断上，但是这一方面的论文正在评审中，因此他们不便讨论。但Joyce也表示这还只停留在基础研究阶段。

（生物通：张迪）

1月出版的Nature新闻对该文章进行了评论报道，相关信息请关注：

Nature Science聚焦RNA之舞

附：Gerald F. Joyce 教授

1978年毕业于美国芝加哥大学，1984年在美国圣迭戈加利福尼亚大学获得博士学位，1985-1988年，在索尔克研究院（The Salk Institute）做博士后研究，1989年至今，任斯克里普斯研究院(The Scripps Research Institute)分子生物学系教授。其研究领域包括RNA生物化学及通过体外进化技术开发新型RNA和DNA聚合酶。

Joyce 教授对早期生命化学比较感兴趣，他认为核酸是基因分子，其可以在试管中被扩大和突变。利用核酸作为催化剂和基因分子的双重性质，他的实验室设计发明了体外RNA分子直接进化技术，其在试管中进化核酸聚合酶的速度最高可达到每天一百代，大大快于自然界速度。他们利用这种体外进化系统探索RNA的催化潜力，重点研究那些对自身有催化复制能力的RNA聚合酶。利用这种人工进化系统及选择和突变理论，Jocye揭示了新型RNA聚合酶可能在早期生命形成过程中扮演重要角色，展示了从无生命的化学物质如何进化为生命体的过程。

原文摘要：

Self-Sustained Replication of an RNA Enzyme

An RNA enzyme that catalyzes the RNA-templated joining of RNA was converted to a format whereby two enzymes catalyze each other’s synthesis from a total of four oligonucleotide substrates. These cross-replicating RNA enzymes undergo self-sustained exponential amplification in the absence of proteins or other biological materials. Amplification occurs with a doubling time of about one hour, and can be continued indefinitely. Populations of various cross-replicating enzymes were constructed and allowed to compete for a common pool of substrates, during which recombinant replicators arose and grew to dominate the population. These replicating RNA enzymes can serve as an experimental model of a genetic system. Many such model systems could be constructed, allowing different selective outcomes to be related to the underlying properties of the genetic system.