RNA的酶及遗传信息载体两重性与生命起源

RNA的酶及遗传信息载体两重性与生命起源

潘正军　(江苏省淮阴师范学院生物学系　223001)

1953年https://www.360docs.net/doc/5610997818.html,ler的实验证明在原始地球上可生成简单的小有机分子。而根据Fox等人的大量实验,原始地球上这些简单的化合物可以合成更为复杂的有机化合物。现代分子生物学阐明,核酸、蛋白质是生命的主要组成部分,其中核酸是贮存和传递遗传信息的分子,而蛋白质是执行功能的分子。只有当核酸和蛋白质系统获得信息贮存、自我复制、变异以及在选择下适应进化的能力时,才可能出现生命。在生命起原中是先有核酸还是先有蛋白质?这曾被人认为是一个悬而未决的“蛋鸡悖论”。目前,有一系列的实验证据支持了生物大分子起源之初是“RNA世界”之说(G ilbert,1986)。

1　RNA功能的二重性

1.1　RNA与酶　1981年美国科罗拉多大学Cech的研究组证明四膜虫rRNA前体能自动切除413个核苷酸的内含子,这一过程完全没有蛋白质参加,称之为自我拼接。Cech首次提出了ribozyme这一名词,用以指具有催化功能的RNA。1984年美国Altman证明,细菌加工t RNA的酶RNAaseP中的RNA单独也能切断t RNA前体的5′-末端,只需提高Mg2+浓度。Cech与Altman发现RNA具有催化功能而获得了1989年诺贝尔化学奖。1986年Cech证明,rRNA还具有核苷酸转移酶、磷酸二酯酶、RNA限制性内切酶、磷酸转移酶等多种活性。后来又发现不少RNA具有催化功能。1989年Uhlenbeck实验室人工合成具有催化活性的由19个核苷酸组成的寡聚核糖核苷酸。

RNA具有酶的催化活性,动摇了以前认为核酸缺少一种催化能力和最早出现的是蛋白质的说法,改变了人们“只有蛋白质才具有酶的活性”的传统观念。1.2　RNA与核糖体　核糖体在细胞中的功能是人所共知的,RNA占核糖体的60%,长期以来它仅仅被看做是r蛋白的组织者,即形成核糖体的内部结构框架和与蛋白质合成过程中所涉及到的RNA配对碱基有关。但在对r蛋白和rRNA进行大量研究特别是利用化学方法和遗传突变株来研究r蛋白的功能以后,人们对于r蛋白是否具有催化蛋白合成的活性提出了疑问:(1)很难确定哪一种r蛋白具有催化功能。(2)多数抗蛋白质合成抑制的突变株,并非由于r蛋白的基因突变而往往是rRNA基因发生了突变。(3)在整个进化过程中,rRNA的结构具有更高的保守性。Noller 等(1992)用化学手段处理大肠杆菌50S的大亚单位,去掉与23SrRNA结合的各种r蛋白,结果发现得到的23SrRNA仍具有肽酰转移酶的活性,能催化肽链的合成。最近有人用人工合成的大肠杆菌的23SrRNA在没有任何核糖体蛋白存在的情况下,实验中仍具有催化氨基酸间形成肽链的能力。这些重要发现不仅推动了对核糖体结构与功能的研究,更重要的是对于弄清地球上生命起源的最初形式有所启示。

根据一系列的实验结果,人们推论最初的蛋白质是由原始核糖体合成的,这种原始核糖体主要由RNA 构成,形成一种RNA催化剂自我催化系统。某些原始的RNA可能结合氨基酸而作为原始t RNA,原始的mRNA也是由原始的rRNA分化出来的。也就是说,在生命起源中先形成RNA,RNA既具有遗传密码功能,又具有催化功能,然后才产生蛋白质。这些蛋白质比起RNA这类分子具有更大的催化动力,从而取代了绝大部分RNA酶的功能。

1.3　RNA与DNA　RNA的信息功能人们早已明了,在由达尔文式的分子水平的适应性选择和RNA分子的突变中,核糖在第二位脱氧生成脱氧核糖,由此产生的DNA链比RNA链稳定,DNA链由于自身的特点可形成双链,而双链比单链更加稳定,且DNA链中胸腺嘧啶代替了RNA链中的尿嘧啶使之易于修复,作为遗传物质载体有可能贮存大量的信息并能更稳定地遗传。经过一代又一代的调整,遗传信息就由DNA承载,性状由蛋白质体现,RNA起着遗传信息表达的中介作用。

1.4　RNA与病毒　病毒是非细胞形态的生命体,是由一个核酸分子(DNA或RNA)与蛋白质外壳构成的核酸-蛋白质复合体,关于它的进化地位目前虽有争论,但引人注意的是类病毒(仅由一个有感染性的RNA分子构成)的存在,是否也证明了RNA分子功能上的特殊性?如果单纯讨论病毒自身的进化,我们是否可以这样认为:先有类病毒,再演化为RNA病毒,最终衍生为DNA病毒?

目前,研究者倾向于他感作用的机制及在植物区系中的作方面的研究,但对他感物质的产生和释放的认识还很有限;对苔藓、蕨类植物他感作用的探讨还应加强;涉及微生物的他感作用亦应给予足够的重视;通过杂草与作物他感作用的深入研究而达到无杂草栽培的目的也是人们十分关注的。

综上所述,RNA既具有遗传信息载体功能又具有酶的催化功能,而DNA和蛋白质都只能执行一个方面的功能。因此,RNA可能是生命起源中最早的生物大分子,在生命起源中起主体与中心作用。一个有趣的现象是,至今在遗传信息表达体系中,不仅还要通过RNA完成信息传递和密码的翻译,而且一些重要的反应过程如mRNA的拼接和蛋白质的合成仍需RNA的催化作用。

2　生命起源的早期进化路线

根据前述内容,我们推测生命的最早形式可能是由膜围绕的一套具有自我复制能力的分子体系和简单的物质与能量供应体系,其遗传物质的载体是RNA。RNA的催化效率远远低于蛋白质,整个体系复制效率很低。在漫长的进化过程中,由RNA催化产生了蛋白质,进而DNA代替了RNA的遗传信息功能,蛋白质则取代了绝大部分RNA酶的功能,逐渐演化成原始的细胞。

嗜高温酶及其耐热机制范玉贞　(河北省衡水师范专科学校生物学系　053000)

除了核酶及脱氧核酶以外,其他酶的化学本质都是蛋白质。酶蛋白的一个重要性质就是遇热变性并失去催化活性。可是有些酶能在80℃以上的条件下发挥功能,这类酶叫做嗜高温酶。嗜高温酶主要存在于嗜热菌与超嗜热古生菌中,它们之所以能在70～110℃的温度范围内生长,关键在于这类细菌的类脂、蛋白质、酶及核酸等生物大分子的热稳定性。由于嗜高温酶在高温发酵、PCR技术以及钻井采油等方面具有广泛的应用前景与开发潜力,所以研究它们的结构特点及其耐热机制,寻找或设计新的嗜高温酶是生产与科研共同关注的热点问题。虽然现在还没有彻底阐明嗜高温酶的耐热机制,但是从目前的研究结果来看,嗜高温酶的抗热性是由于酶本身稳定的天然结构以及嗜热菌胞内含有的热稳定因子对酶蛋白的保护作用。此外,钙、锌等金属离子对嗜高温酶也有热稳定作用。1　嗜高温酶的结构及其耐热机制

由于早期地球是高热缺氧的极端环境,故只有嗜热的专性厌氧生物才能生存。超嗜热古生菌的耐热及专性厌氧等特点符合早期地球地质的化学条件,因此这类细菌很可能是地球早期的生命形式。如果生命开始于生存在热环境中的嗜高温微生物,进化过程则是使嗜高温酶转变成嗜常温酶及嗜低温酶。研究引起嗜高温酶变化的因素,比较同源酶的结构差别,对于了解生命起源与进化,设计新酶以及认识嗜高温酶的耐热机制都会提供重要的启示。

人们对嗜高温酶和嗜常温酶的氨基酸序列差异进行了大量的研究,发现大多数嗜高温酶与同源嗜常温酶的氨基酸序列同源性很大,只有某些关键区域少数氨基酸的变化,但也有些同源酶的氨基酸序列同源性较小,出现大量的氨基酸取代或插入。不管属于哪种情况,酶蛋白的一级结构都对其本身的抗热性具有重要作用。因为维持蛋白质高级结构的次级键(氢键、离子键及疏水键等)都是由氨基酸序列中的侧链基团参与形成的,故嗜高温酶的一级结构改变就会引起这些次级键变化或者增加了次级键的数量,从而使酶分子的结构更稳定,因而也更具抗热性。

Tesfay HS分析比较了嗜热脂肪芽孢杆菌(B acil2 l us stearothermophil us)的热稳定性3-磷酸甘油醛脱氢酶-GPDH-ST(80℃保温10min仍保持活性)和B acill us coagulans的热不稳定的3-磷酸甘油醛脱氢酶-GPDH-CO(55℃保温5min就失去95～100%的活性)的氨基酸序列,这两种酶都含有335个氨基酸残基,其序列同源性高达91.6%。这就暗示酶的耐热性是由少数氨基酸的变化而引起的。GPDH-ST与GPDH-CO的氨基酸序列的差别体现在28个氨基酸残基上,它们主要分布在肽链中间的三分之一处。其中有5个是GPDH-ST中的脯氨酸代替了GPDH-CO中的丙氨酸。脯氨酸的结构熵比其他氨基酸小且更容易折叠,但是一旦折叠就需要更多的能量才能解开。每个脯氨酸代替丙氨酸后能为折叠提供约1K cal/ mol的自由能,故5个脯氨酸代替的加合作用就极大地提高了酶的抗热性。

由热球菌(Thermcoccus litoralis)产生的Vent TM DNA聚合酶和水生栖热菌(Tnerm us aqustics)产生的Taq DNA聚合酶都是嗜高温酶。它们不仅为PCR技术大量体外扩增DNA提供了条件,而且也使PCR技术得到了迅速发展与广泛应用。将Taq聚合酶的大片段(K lentaq1)与大肠杆菌(Escherichia coli)DNA聚合酶I的K lenow片段(K lenow polI)进行比较,其序列同源性只有49.6%。进一步分析它们的结构后证明,两