“新陈代谢先起源”和“复制先起源”假说研究进展

许振兴, 卢明锋, 张月杰

(山东理工大学 生命科学学院， 山东 淄博 255091)

生命区别于无机世界的本质特征是什么？原始生命形式如何过渡到现存的生命形式？地球生命体在生物化学上的高度一致性使人们确信所有的现存生命都源自一个最后共同祖先(late common ancient，LCA).“遗传信息的复制”和“新陈代谢”构成了生命的两个本质特征.如果没有“新陈代谢”源源不断提供的原材料，“遗传信息的复制”也就失去了物质基础.如果没有“遗传信息”的复制和调控，组成型的“新陈代谢”也难以长时间的维持.因此，究竟是复制先起源(“Replication first”)还是“新陈代谢先起源”(“Metabolism first”)就成为了“生命起源”研究中的“鸡”-“蛋”悖论.

1 “新陈代谢先起源”假说

“新陈代谢先起源”假说的支持者Kauffman和Wächtershäuser等认为新陈代谢的出现先于(或同时)模板复制能力的出现，新陈代谢可以通过“随机漂移”或“偶然冻结”的方式自发出现，并且一出现就具有原始的非遗传性复制能力[1-3].在随后的某个进化阶段，遗传性的复制模板才掺入到已有的系统中.

1.1 具有代谢性质的自我维持系统能否自发产生

Serge等在2000年开发的计算机模型支持非遗传性组成型复制系统的自发形成机制，但目前该机制尚缺乏实验验证[4].如果在复制性的生物大分子出现以前，非复制性的自催化循环就已经能够在原始地球运转起来，那么生命起源中的无数难题都将迎刃而解.例如，如果一个非酶催化的复杂循环系统可以生产核苷酸用于RNA的合成，则前生物化学中的众多难题将不再成为问题.

生命在“RNA世界”之前也有可能以基于磷酸甘油或磷酸甘油酸的简单聚合物作为遗传物质[5].但是，反柠檬酸循环需要至少六种不同的催化活性才能完成.即使原始地球环境中的无机化合物具有非凡的催化活性[6-9]，也很难想象原始地球条件下存在这样一个地点，能够同时提供至少六种催化剂的矿物组合.

福尔摩沙反应是目前唯一被实验证实的自催化循环系统，可以通过甲醛的聚合生成包括核糖在内的众多糖类物质，但福尔摩沙反应需要磷酸甘油作为引发剂且产量很低.在0.2mol/L的HCN溶液中添加0.1mol/L的甲醛就可以使HCN四聚体(腺嘌呤)的产量提高了100倍，但是这种前生物合成的副反应产物也十分复杂，而且据估计原始地球条件下HCN的浓度也只有10-5～10-12mol/L[10-11].2007年Weber等提出甘油醛和NH3在水溶液中反应后会导致重排并生成丙酮醛及其它一系列的含氮化合物，将这种反应产物重新加入到新鲜的甘油醛溶液中，丙酮醛的形成率会被极大地提高[12].虽然目前尚不能明确这种反应的机制，但可以推断出这一反应的某一种产物能够催化该反应的加速进行，而这正是自催化循环的特征.因此，上述这一类小分子循环至少有可能是前生物合成原材料的一个重要来源.

另一类自催化循环是1986年Kauffman所设想的“肽循环”.Kauffman假设存在一个仅由少数几种氨基酸混合物构成的水溶液系统，这些氨基酸能够通过自发反应形成多肽且多肽也能够自发地水解，一部分随机肽(几率P≥10-9)将能够催化任意两个随机肽段间的连接.不仅如此，最终从单体中可以形成一个长度为M(M≤13)的随机肽集合并组成一个闭合的“肽循环”，即“肽循环”中的每一个随机多肽都可以催化循环中下一个肽的合成[13].1996年Lee等首次用实验证实了一个理性设计的32肽能够自发缔合成稳定的卷曲-卷曲结构并催化自身N端和C端的连接，表明多肽具有自我复制的可能[14].2004年Ashkenasy等进一步证明：当采用两个以上的人工设计的多肽时，肽键连接反应网络能够实现自组织[15].但是，在原始地球条件下能否自发形成十几个氨基酸残基的短肽？这种短肽是否具有稳定的空间结构来保证反应的专一性？多肽的复制如何保证序列的专一性？1999年Emai等在模拟海底超热系统的流式反应器中人工合成了甘氨酸的寡聚体，当加入二价金属离子(例如Cu2+)时获得了甘氨酸六肽[16].Eilzabeth和Kandasamy等的发现表明不但一些二肽、短肽具有催化活性，甚至连单个的脯氨酸(Prolin，Pro)也具有醛缩酶活性[17-18].2004年Honda合成了一个仅由10个氨基酸组成且具有三维结构的蛋白质[19-20].

1.2 “新陈代谢先起源”假说的局限性

尽管上述发现为“新陈代谢先起源”假说的合理性提供了有力的支持.但是，缺乏遗传调控的新陈代谢循环系统是非常脆弱的，代谢途径的延伸和复杂代谢网络的形成必然会打破这种微妙的平衡.在这种情况下，代谢起源的进化驱动力又会是什么呢？2008年Orgel分析了几种在原始地球条件下可能存在的自催化循环后指出，现有的实验结果还无法证明“新陈代谢先起源”的可信性[21].2010年，Vasas等通过理论推导后认为自我维持的自催化系统缺少进化性.因此，“新陈代谢先起源”假说的可信度有其局限性[22].

2 “复制先起源”假说

“复制先起源”假说认为前生物合成的有机化合物可以通过非生物自发聚合形成了具有自我复制能力的遗传信息系统，并逐渐拥有了“新陈代谢”能力.寡聚化的生物大分子通过“遗传信息的复制”使生命得以产生、延续和进化.如果生命起源的“复制先起源”假说成立，前生物合成及分子进化研究必须要解决的问题是：在原始地球条件下，什么样的生物大分子有可能具有自我复制功能？生物大分子如何自我聚合以发挥生物学功能？聚合后的生物大分子如何实现自我复制？自我复制的生物大分子如何拥有了新陈代谢能力？自我复制的生物大分子如何通过自然选择实现达尔文进化？

2.1 具有自我复制功能的生物大分子

众所周知，DNA、RNA和蛋白质是现代生命依据“中心法则”完成生命活动的物质基础.DNA的复制需借助蛋白质的催化活性，而蛋白质的合成需要DNA模板的转录及一套依赖于核糖体的蛋白质合成系统.由于DNA只具有信息储存功能但缺乏催化活性，而蛋白质虽具有高效的催化功能却没有成为信息载体的潜力，因此两者都不太可能作为自主复制系统的组分承担起生命起源的“重任”.

20世纪80年代“核酶”的发现表明RNA既是遗传信息的载体同时又具有催化活性，随后的一系列发现进一步证实RNA具有多种多样的催化功能.1986年Gilbert提出了“RNA世界”假说：“在生命起源的某个时期，生命体仅由一种高分子化合物RNA组成.遗传信息的复制基于RNA的复制，作为“生物催化剂”的、由基因编码的蛋白质还不存在”[23].20世纪90年代末期发现了一系列具有广泛催化活性的核酶及被认为是RNA世界遗迹的RNA分子[24-26]，2003年Steitz更证实核糖体中肽键的形成主要是由rRNA催化的，rRNA也是一种核酶[27]，“RNA世界”假说被广泛接受.“生命起源”研究的焦点就转向“RNA”的起源.

2.2 “RNA”起源的几个问题

“RNA”起源需要解决的第一个问题是：合成RNA的原材料-核苷酸的前生物合成？尽管核糖、碱基都有比较可信的前生物合成途径，但由核糖、碱基直接合成核苷和核苷酸的前生物合成却极为困难[28].2009年Powner采用由HCN与氨水反应生成的2-氨基恶唑(2-amminooxazole)作为起始反应物的合成途径基本解决了嘧啶核糖核苷酸的前生物合成问题，但嘌呤核糖核苷酸的前生物合成还需要进一步的研究[29].

“RNA”起源需要解决的第二个问题是：RNA的前生物聚合机制？虽然这个问题多年来始终是前生物合成学家的“噩梦”，但近年来的研究已经有了明显的进展.Ferris等研究了5'-磷酸咪唑核苷及其它活性核苷在粘土矿物蒙脱石上的寡聚化.他们发现某些矿物样品可以作为高效的催化剂，即使当活性核苷的浓度较小时也能够促进寡聚体的形成[30-32].不仅如此，矿物质还能极大地影响聚合反应的立体专一性，在蒙脱石上的5'-磷酸咪唑腺嘌呤核苷寡聚体有75%以上是3'-5'磷酸二酯键连接产物，而嘧啶核苷寡聚体却主要是2'-5'磷酸二酯键连接产物[33-34].短的寡聚体一旦形成后，还可以被吸收到其它的蒙脱石或羟基磷灰石上进一步延伸，寡聚体的长度最高可达40～50nt[35-36].当采用5'-磷酸-1-甲基核苷作为活性单体时，聚腺嘌呤和聚尿嘧啶寡聚体中的3'-5'磷酸二酯键连接产物可分别达75%和60%.虽然1-甲基鸟嘌呤和1-甲基胞嘧啶的寡聚化效率相对较低，但四种1-甲基活性单体都可以掺入到非生物合成的寡核苷酸中[37-38].

“RNA”起源的第三个问题是：RNA的自我复制机制？RNA自我复制的本质是模板指导的RNA合成.如果原始地球上确实存在某种核酸活化单体的聚合机制，其产物也必将是长度和序列各不相同的随机寡核苷酸.这些随机寡核苷酸短链又能否通过类似碱基互补配对的非酶催化反应完成模板指导的复制过程呢？2007年Roos等通过对早期基因组进化进行建模后提出RNA的第一种复制机制：“双链RNA(dsRNA)是信息储存的生物大分子，在随后的进化中由这些dsRNA产生了具有催化功能的单链RNA(ssRNA)”[39].但是大量的研究结果却表明，绝大多数的活化单体不能通过非酶催化反应，在已有的RNA模板上进行由模板指导的有效且结构专一性的合成反应.总体而言，只有很少的一部分模板能够指导完成互补链的合成，并且互补链中既有3'-5'磷酸二酯键也包括2'-5'磷酸二酯键连接产物[28].Inoue和Orgel等发现，即使是采用四种5'磷酸-2甲基咪唑核苷酸的等量混合物时，poly(C)模板也能高效及结构专一性地指导互补链poly(G)的合成[40].但由于试剂、反应条件以及模板指导的活化核苷酸单体缩合的内在限制，目前还没有发现任何一对互补序列能够彼此指导其互补链的合成.1996年Rohatgi等发现5'-三磷酸寡核苷酸能够在已有的互补模板上进行缓慢但结构专一性的连接反应[41].如果能够保证互补性寡核苷酸短链的来源及互补配对的保真度，通过多个寡核苷酸短链的连接反应也许可以成为聚核苷酸链的另一种复制机制[42].RNA的第三种复制机制可能是随机寡核酸在自然选择条件下出现具有自我复制能力的寡核苷酸-RNA复制酶核酶.这种RNA复制酶核酶必须是一种依赖于RNA分子的RNA聚合酶，首先以自身为模板催化互补链的合成，然后利用互补链实现自我复制.该复制机制需克服的主要难题是：(1)目前已知的核酶都太长(160～200nt),很难通过蒙脱石催化的方式自发出现[14,20]；(2)目前RNA复制酶核酶对自身的复制最长只有14～20nt[43-44].

“RNA”起源需要解决的第四个问题是：RNA世界的进化机制？第一个RNA复制酶一旦出现，如果其仅能催化自身的复制，那么如何才能保证分子多样性及功能多样性的产生？如果其不但能够催化自身的复制，而且能催化其它寡核苷酸链的复制，采用何种机制才能保证其从随机寡核苷酸池中脱颖而出呢？1971年Eigen针对上述疑问提出了著名的“超循环理论”.该理论可以概括为：“在化学进化与生物学进化之间存在着一个分子自我组织阶段，通过生物大分子的自我组织建立起超循环系统并过渡到原始的有细胞结构的生命.这种超循环系统可以通过一定的准确性来进行自我复制从而保持和积累遗传信息，又可以因复制过程中产生的错误而发生变异”.RNA分子社会通过自我组织形成超循环系统需要某种形式上的区室化，那么非生物性原始膜系统或原始区室的形成机制是什么？功能性RNA分子是以怎样的顺序自组织化？RNA分子进化的动力是基于动力学性质还是功能性？

2.3 “复制先起源”假说的局限性

综上所述，“RNA起源”目前还存在很多难以逾越的问题.即使“RNA世界”假说成立，在解释生命如何从“RNA世界”过渡到“DNA世界”的问题上，目前也还得不到圆满的解答[45-46].在此基础上“复制先起源”假说的支持者提出一个新的假设，即在“RNA世界”之前可能存在一个“Pre-RNA世界”[47-49].例如，作为遗传物质的前RNA聚合物如果以α-苏糖核酸(TNA)、肽核酸(PNA)等较核糖更为简单的有机化合物作骨架，就可以避免上述RNA前生物合成中的诸多困难[50-52]，但“Pre-RNA世界”假说同样缺乏令人信服的证据.

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