自复制系统

1.RNA自复制系统

多年来，人们利用分子生物学手段对生命起源的分子历程进行了积极探索，并提出了解释生命起源的三种假说。

艾根等在“中心法则”和逆转录酶的发现的启发下，提出了生命起源于由蛋白质和RNA组成的自复制系统的观点。他认为RNA携带遗传信息，在蛋白质类酶催化下完成自身复制及转译出新一代蛋白质，这个由RNA和蛋白质相互依赖的系统构成了生命进化的起源。

蛋白质化学家提出了生命的蛋白质起源说。1953年米勒模拟原始地球大气条件，合成了富含氨基酸的原始“汤”。1958年西尼和卡努研究表明，热氨基酸在原始地球条件下能自身装配出简单蛋白质。随后的研究表明，热蛋白质可装配成微球体。阿里斯托特认为，某些热蛋白质含有氨基酸序列，在微球体内的反应导致真正的蛋白质的合成及DNA、RNA的形成。这些微球体被称为变形原始细胞，它们构成生命进化历程中的第一个细微迹象。然而这种蛋白质起源说受到了猛烈抨击，有关行星形成的最新研究成果的出现使人们对甲烷和氨气是原始地球大气中的主要成分这个论断产生了越来越多的疑问。推理表明，早期的大气层中可能含大量CO₂，并且由于CO₂的存在，有机物很难形成。于是，生命的蛋白质起源学说在关键的问题上受到了严重的挑战。

生命起源的RNA世界说。1982年柯克发现四膜虫的r－RNA前体可自我剪接成为成熟的r－RNA。1986年，弗兰克的研究表明，Rnase－P（一种不常用的酶，是由蛋白和RNA组成的复合体）在t－RNA分子成熟中起催化作用。这两个实验似乎提示：RNA分子有酶的功能，故吉尔伯特于1986年提出了生命起源的RNA世界说。他说，RNA分子的自我催化复制构成了进化的第一步，复制过程中依靠内含子介导的重组以及突变产生新的功能以适应外界环境。利用辅助因子，如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（辅酶Ⅰ）和黄素单核苷酸的作用使RNA的催化功能进一步加强，到达一定阶段，RNA分子开始合成蛋白质。RNA适体分子结合活跃的氨基酸，然后RNA像核糖体中RNA核心一样作为模板组装氨基酸而生产蛋白质。这种蛋白质作为酶的催化活性要比RNA好，这种蛋白质类酶由RNA的外显子编码。后来，反转录酶出现，RNA通过逆转录产生了DNA。由于DNA的双螺旋结构的稳定性，逐渐取代了RNA成为遗传信息的最终载体。RNA由于性质活泼，并在某些条件下还有自身催化功能，就成了遗传信息表达的媒介物。经过亿万年的进化，遗传物质的流向就构成了“中心法则”。

尽管RNA世界说一提出就受到了诘难，但是随着分子生物学研究的进展，使它得到了越来越多的支持。1986年，柯克证明，r－RNA插入序列不仅有催化r－RNA前体的自我剪接反应，而且还具有核苷酸转移酶、磷酸二酯酶，RNA限制性内切酶、磷酸转移酶和磷酸酯酶等多种活性。1989年，乌伦贝克实验室人工合成了具有催化活性的寡核糖核苷酸。同年，索斯塔克和柯克报道了有关RNA能催化自身复制的研究。1992年，乔依斯等建立了四膜虫核糖酶（L－21型）的进化体系，并通过“试管进化”得到了对DNA有剪接作用的核糖酶变异体。1994年，同样利用试管进化方法使核糖酶获得了ATPase（一种生物体内少泛存在的极为重要的细胞膜上的酶）活性及多聚核苷酸激酶活性。另外，核糖酶还具有氨基酸酯酶、氨酰t－RNA合成酶和肽基转移酶活性，这些反应均与蛋白质合成有关。如此看来，催化性RNA构成了生命进化的第一环。