《PNAS》生命起源建模:“RNA世界”的新证据

索尔克主席杰拉尔德·乔伊斯和他的团队为生命的起源提供了新的见解，提出了令人信服的证据来支持“RNA世界”假说。pnas的研究揭示了一种RNA酶，它可以精确地复制其他功能RNA链，同时也允许随着时间的推移出现新的分子变体。这些非凡的能力表明，最早的进化形式可能发生在RNA的分子尺度上，这也使科学家们在实验室中重建自主RNA生命的道路上又近了一步。

　　

查尔斯·达尔文将进化描述为“带有修正的下降”。遗传信息以DNA序列的形式被复制并从一代传给下一代。但这个过程也必须有一定的灵活性，允许基因随着时间的推移出现轻微的变异，并向种群中引入新的特征。

但这一切是怎么开始的呢?在细胞、蛋白质和DNA出现之前很久的生命起源中，类似的进化能否在更简单的尺度上发生?20世纪60年代，包括索尔克大学研究员莱斯利·奥格尔(Leslie Orgel)在内的科学家们提出，生命始于“RNA世界”，这是一个假设的时代，在这个时代，小而细的RNA分子统治着早期的地球，并建立了达尔文进化论的动力学。

索尔克研究所的一项新研究为生命的起源提供了新的见解，提供了支持RNA世界假说的有力证据。这项研究发表在2024年3月4日的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上，揭示了一种RNA酶，它可以精确复制其他功能性RNA链，同时也允许随着时间的推移出现新的分子变体。这些非凡的能力表明，最早的进化形式可能发生在RNA的分子尺度上。

这一发现也使科学家们离在实验室中重建基于RNA的生命又近了一步。通过在实验室中模拟这些原始环境，科学家们可以直接测试关于生命如何在地球上甚至其他行星上开始的假设。

“我们正在追寻进化的曙光，”资深作家、索尔克主席Gerald Joyce说。“通过揭示RNA的这些新功能，我们正在揭示生命本身的潜在起源，以及简单的分子如何为我们今天看到的生命的复杂性和多样性铺平道路。”

科学家们可以利用DNA来追溯从现代动植物一直到最早的单细胞生物的进化历史。但在此之前发生了什么尚不清楚。双链DNA螺旋非常适合储存遗传信息。这些基因中的许多最终编码蛋白质——复杂的分子机器，执行各种功能以保持细胞存活。RNA的独特之处在于这些分子可以兼而有之。它们由延伸的核苷酸序列组成，类似于DNA，但它们也可以像酶一样促进反应，就像蛋白质一样。那么，有没有可能RNA是我们所知的生命的前身呢?

像乔伊斯这样的科学家多年来一直在探索这个想法，特别关注RNA聚合酶核酶——一种可以复制其他RNA链的RNA分子。在过去的十年里，乔伊斯和他的团队一直在实验室里开发RNA聚合酶核酶，使用一种定向进化的形式来产生能够复制大分子的新版本。但大多数都有一个致命的缺陷:它们无法以足够高的精度复制序列。经过许多代，如此多的错误被引入到序列中，以至于产生的RNA链不再像原始序列，并且完全失去了功能。

直到现在。实验室开发的最新RNA聚合酶核酶包括许多关键的突变，使其能够以更高的准确性复制RNA链。

在这些实验中，被复制的RNA链是一个“锤头”，一种将其他RNA分子切割成碎片的小分子。研究人员惊讶地发现，RNA聚合酶核酶不仅能准确地复制功能锤头鲨，而且随着时间的推移，新的锤头鲨变异开始出现。这些新的变异表现相似，但它们的突变使它们更容易复制，这增加了它们的进化适应性，并最终导致它们在实验室的双髻鲨种群中占主导地位。

Joyce实验室的研究助理、第一作者Nikolaos Papastavrou说:“长期以来，我们一直想知道生命最初有多简单，以及它何时获得了开始自我改进的能力。这项研究表明，进化的曙光可能非常早，也非常简单。单个分子水平的东西可以维持达尔文的进化，这可能是让生命变得更加复杂的火花，从分子到细胞再到多细胞生物。”

这些发现强调了复制保真度在使进化成为可能方面的关键重要性。RNA聚合酶的复制准确性必须超过一个临界阈值，才能在多代中保持遗传信息，而这个阈值会随着RNA进化的大小和复杂性的增加而提高。

Joyce的团队正在实验室试管中重现这一过程，对该系统施加越来越大的选择压力，以产生性能更好的聚合酶，目标是有一天生产出能够自我复制的RNA聚合酶。这将标志着实验室中自主RNA生命的开始，研究人员说，这可能在未来十年内完成。

科学家们还对这个迷你“RNA世界”获得更多自主权后可能发生的事情感兴趣。

“我们已经看到，选择压力可以改善具有现有功能的RNA，但如果我们让系统在更大的RNA分子群体中进化更长时间，是否可以发明新的功能?”合著者David Horning说，他是Joyce实验室的一名科学家。“我们很高兴能够回答早期生命如何使用索尔克开发的工具来提高自身的复杂性。”

Joyce实验室使用的方法也为未来的实验测试其他关于生命起源的想法铺平了道路，包括在地球和其他行星上，什么样的环境条件最能支持RNA的进化。

RNA-Catalyzed Evolution of Catalytic RNA