从RNA到RNA蛋白分子：一些物种核糖开关的作用.doc

从RNA到RNA/蛋白分子：一些物种核糖开关的作用摘要：在生命起源前的环境里，一些氨基酸及其衍生物与多聚核糖核苷酸的共同相互作用形成了多肽。并且，连续的氨基酸聚合作用及其形成的具有催化功能的结构域对于从RNA到RNA/蛋白质的转变贡献了巨大的作用。 关键词：生命起源 L-赖氨酸 S-腺苷-L-蛋氨酸 早期氨酰化作用 核糖核酸类多肽1、前言相比非生命结构，生命系统有着更高的复杂性。在前生命化学的研究中，研究非生命物质是如何形成生物组织的问题是一个不小的挑战。在所有生物有机体中，核酸、蛋白等生物大分子的相互依赖关系促进了原始生命的进化。RNA（一种由核苷酸聚合作用形成的核酸）同时具有遗传和催化（作为核酶）的能力。这就有利于RNA是生物世界基础的假设（Gilbert,1986）。的确，多聚核糖核苷酸结构的易变性可以促使其形成不同的RNA种类。（spirin,2002）而作为大家公认的配体，RNA的催化功能、遗传作用及其可塑性会受到某些因素的影响。（Breaker,2012）另外，在有机体中RNA和蛋白的相互作用也为进化提供了动力。1.1、在前生命环境里可能存在的生物合成反应对于前生命时期的环境里完整的非生物合成RNA的过程人们还没有彻底明了（Orgel,2004）。RNA单体包含D-核糖、碱基和磷酸。在那个环境里核苷酸的合成被其反应力和生成物的稳定力所制约。（例如受水解作用及生成物的产量和磷酸的可用度所约束）（Orgel,2004;Anastasi等,2007;Spirin,2007;Holmet等,2006;Pasek,2008;Piwner等,2009）。在进化中，氨基酸及其衍生物与多聚核糖核苷酸的共同相互作用共同控制着生物的核糖开关，氨基酸通过聚合作用所形成的聚合物具有催化功能，这为RNA分子到RNA/蛋白分子的转变提供了证据（Bernstein,2006;Yang等,2007）。经典的Miller实验合成了氨基酸的混合物（Miller,1953）。其他一些R基团上富含N的氨基酸例如赖氨酸（Hanic等,2000），蛋氨酸和同型半胱氨酸（Parker等,2011）的合成反应目前也都已经实现。这些合成物中包含了除非手性甘氨酸以外的其他所有外消旋的氨基酸。热液的环境貌似也为这些合成反应提供了可能。另外，一些携带了除氨基酸以外其它分子的彗星或陨石也为地球前生命时期的氨基酸合成反应提供了反应物（Bernstein,2006）。另一方面，所有的生命中均含L-羟脯氨酸（及它们的衍生物）和D型糖类（Pollack等,2010），这种现象的形成发生在前生命期的富集反应（da Silva和Holm,2014）。人们用实验的方法，分别阻断多聚核糖核苷酸和缩氨酸的形成等反应，可以确定他们的装配和有效复制对于生命的起源至关重要。1.2、生物分子的非生物聚合作用1.2.1、多聚核糖核苷酸生物个体中，核苷酸的聚合作用是由酶催化完成的。一个具有生物功能的RNA至少是由50个核苷酸聚合而成的。（shapiro,2000;Monnard等,2003）。多聚核糖核苷酸链在水溶液中很不稳定，这与在地球早期磷酸二酯键的自发形成理论是不相符合的（也称水悖论）（Spirin.2007）。已经活化了的核苷酸以金属离子或蒙脱石（地球上一种丰富的粘土矿物质）为催化剂（Franchi和Gallori,2009;Ferris,2006），将与之互补的模板链（di Mauro等2006）和不同热梯度的矿物质颗粒在地质热液环境（Baaske等,2007）或者类地质热液温度的环境（Kawamura,2004）中发生聚合形成多聚核糖核苷酸，目前这一过程已经通过实验实现，这就使得水悖论不攻自破。由非酶物质形成的水溶液的二聚体、四聚体与在地质热液中形成的低聚核糖核苷酸发生的聚合作用要大于四聚体在冰水混合相的聚合作用（Monnard,and ziock,2008）,目前多聚RNA类似物已经在脂类环境中获得。（Rajamani et al.,2008）。1.2.2、多肽类由氨基和羧基的缩合而发生的氨基酸聚合反应会形成短链(多肽)或长链(蛋白质),但这脱水反应受热力学和动力学约束。在热液环境中，氨基酸由于吸附作用吸附在粘土或矿物质上，这样会得到由脱水作用而产生的羰基硫代物（Leman等,2004）、氰化物Danger等,2012b）、氯化钠和氨基酸络合铜等物质。另一方面，前生命多肽类的产生假说为类脘病毒模型。（Maury,2009）1.2.3、多聚核糖核苷酸与氨基酸物理化学结构关系研究氨基酸和核苷酸之间合适的物理化学结构关系对于遗传密码的起源和进化中至关重要，而遗传密码（杨,2005）是研究所有物种进化最原始的资料。RNA世界假说承认RNA在前生命进化中有着重要的作用。核苷酸需要阳离子来抵制它结构产生的排斥力，并且它的三级螺旋是和普遍存在于有机体中的D-核糖结构相互关联的。（Goto et al.2008）实际上，手性的谷氨酰胺，其L-同分异构体比D-同分异构体对RNA分子有着更高的吸引力。（Serganov和Patel,2009;Ames和Breaker,2011）.只有非手性的甘氨酸才独立于这种RNA因子。一般地，蛋白键的形成和消除均是RNA指导的，并且是由核糖体的肽基转移中心（PTC）实现。计算表明其结构很有可能是起源于原核糖体。（Huang等.,2013）。PTC只接收被信使RNA（mRNA）编码的L-氨基酸。蛋白的生物合成需要氨基酸和RNA的共同作用（氨酰tRNA合成酶催化每种氨基酸形成氨酰化中间体），随后，核酸肽基转移酶催化肽键形成（由氨酰tRNA的氨基攻击tRNA的羧基）最后，释放肽键。整个过程需要不同类型的RNA：mRNA，tRNA，rRNA和一些其它的分子物质。tRNA有着复杂的结构，其氨基酸催化位点和表达位点相距较远。（Morgens和Janssen,1990）.其原始的氨基酸催化位点可能能催化手性蛋白的合成（Tamura,2008,2009）;所以，就核糖开关和核酶而言，研究RNA和氨基酸的关系可以搞明白原始肽键的合成。在2002年，人们已经确定了核糖开关、多聚核糖核苷酸的部分调节功能。它们与一些具有高度选择性的配体（比如说氨基酸、核糖核酸酶、维生素以及一些无机离子）相结合，。他们中大部分是在广泛pH下被质子化的化合物（比如说嘌呤、氨基酸、L-赖氨酸和L-谷氨酰胺）或其它不活跃的阳离子（Mg2+）。（Cochrane和 Strobel,2008;Blouin等2009;Zhao等2011;Serganov和 Nudle,2013）.典型的核糖开关有两个结构位点：结合位点和与之相关的表达位点。每一个物种的核糖开关都有一个口袋的结构与其结合位点相适应，并且这个口袋的结构及其相关基因序列非常的保守，这就表明了物种有共同的起源。（Barrick和Breaker,2007;Baster等，2011）.核糖开关配体的出现可能预示着蛋白的出现。（Winkler等,2002）.一些核糖开关的配体可以被认为是前生命时期的遗迹，比如核糖酶（Schwogler等,2000）和维生素（Cernak 和Sen等，2013）。另一方面，一些辅酶比如说氨基酸（Hanic等,2000;Parker等,2011）,无机离子和核糖核酸酶等也可能是前生物大分子。（Jadhav和Yarus,20002）共存物种的核糖可以作为变构开关来激活核酶（Breaker,2011;Kang等,2014）。在未翻译的mRNA区域内，一些结构可以准确地调节核酶的活动而不依赖于辅助蛋白的帮助。（Strobel,2008;Breaker,2011）。核酶的反应级数很小，（Coleman和Huang,2002;Cochrane和Strobel,2008）但一些由前生命期到有机分子阶段的转型却是由核酸酶催化发生的。由于核酸酶反应的低效性，蛋白结构中先进的复合体结构也许会使其显得过时了（Hiller和Strobel,2011）。另外，相对于脱氧核糖核酸而言，每个核糖核苷酸提供的2羟基可以促进质子转移和氢键的形成（Hiller和Strobel,2011），这可以提高催化活性。多聚核糖核苷酸的催化活性可能对促进前生命阶段的生化反应有着重要作用，其稳定的存在有一种负电转移机制。（Fedor,2002）。一些金属离子或者由氨基酸及其衍生物组成的可电离的有机分子（Frausto da Silva 和 da Sliva,2011）（Coleman和Huang,2002;Cochrane和Strobel,2008）可以摆脱这种负电转移机制的限制。在前生命时期下，多聚核糖核苷酸数量的增长和结构的改变可能会增强它与一些生物分子（比如说氨基酸）的相互作用关系，这样会拓宽多聚核糖核苷酸催化的有效pH值范围，并且为缺水环境中的一些其它反应提供了新的化学基团。2、最原始多肽形成的假想既然序列随机的多聚核糖核苷酸可以具有催化和具有结合氨基酸的能力，那么本身只有四种类型的核苷酸，作为氨基酸的摇篮，这大大增加了合适的核苷酸与氨基酸发生随机装配的可能性。（Lozupone等,2003）随机形成的多肽类相对于氨基酸有着更为复杂的结构和更大的分子量，这就暗示着前者与多聚核糖核苷酸的相适合的可能性更低。与此相反的是，多肽类和多聚核糖核苷酸更容易形成协同作用。这就表明蛋白质最早可能出现在多聚核糖核苷酸的环境中（Hiller和Strobel,2011）。正是由于它们之间的吸引力，氨基酸、核糖核酸酶或核糖开关的配体可能是多肽类形成最早的材料。但是一些氨基酸（或作为核糖核酸酶的结构分子）作为核糖开关的配体并不被密码子编码并且其前生命时期的合成并不为人所知。前生命期的氨酰化作用最早可能是由亲核体（多聚核糖核苷酸带的磷酸基团带有可连续反应的结构）的去质子化作用和快速释放基团（水）的去质子化作用引发的。（Hiller和Strobel,2011）前生命期多聚核糖核苷酸的磷酸基团和氨基酸（或者是核糖核酸酶）之间的反应也许可以活化最初的氨酰化反应。既然生物反应可以由有着确定结构和功能的核酶（肽基转移酶）催化，那么，自然中含量丰富的阳离子Mg2+很有可能参与了生物多肽的合成（Polacek和Mankin,2005）,而另一方面，由于Mg2+的某些化学功能，在前生命期它也会有其它一些贡献，比如说帮助反应物去质子化或者去除反应中的某些不必要基团。氨基酸和核糖核酸酶（作为物种的核糖开关）的某些特性表明它们最终参与前生命期多肽类的合成。考虑到赖氨酸-甲硫氨酸信号分子在氨酰-tRNA合成酶催化位点一级结构的重要性，赖氨酸和甲硫氨酸作为S-腺苷-L-蛋氨酸也可以用于分析早期多肽类的合成。赖氨酸的两个胺基团可以与多聚核糖核苷酸的磷酸基团发生反应。磷酸基团的氧原子负电性大于赖氨酸，这就增加了赖氨酸羧基的亲电性（Desogus等,2000）。另外，赖氨酸的R基团可为氨酰化作用指明方向。尽管其它的一些氨基酸的R基团中也含有氮原子，但作为核糖开关（L-谷氨酰胺）的单体氨基酸，L-赖氨酸的R基团的原子更不活跃，这就降低了副反应的发生。另外，在编码的氨基酸中，赖氨酸增强了相关tRNA的氨酰化作用。（Fraser和Rich,1975）基于肽键的形成能力，人们在试管中加入核酸酶（Zhang和Cech,1997）、L-赖氨酸、S-腺苷-L-蛋氨酸、多聚核糖核苷酸和一些氨酰tRNA合成酶让其反应，实验表明，S-腺苷-L-蛋氨酸可能是L蛋氨酸的一种活化状态（在所有细胞中结合L-蛋氨酸的tRNA是翻译开始的信号（Benelli和Londei,2009）。L-赖氨酸S-腺苷-L-蛋氨酸R基团中的氨基被具有亲核特性的多聚核糖核苷酸的磷酸基团活化然后进一步促进多肽链的延长。奇怪的是，核糖核酸可以作为变构开关