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作为细胞中的“万能劳模”,蛋白质承担着从肌肉收缩到氧气输送等各类功能。生命的存续依赖于蛋白质,而蛋白质的合成又依赖于RNA。除了携带制造蛋白质的遗传指令,RNA还参与蛋白质的组装过程。在现代细胞中,首先由大型蛋白质酶将RNA片段与氨基酸(蛋白质的基本组成单位)连接,随后由RNA和蛋白质共同构成的细胞机器(核糖体)会读取信使RNA链上的编码序列,将氨基酸逐一连接成蛋白质链。但在数十亿年前,在酶和核糖体尚未演化的时代,生命最初的蛋白质又是如何形成的?

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作为细胞中的“万能劳模”,蛋白质承担着从肌肉收缩到氧气输送等各类功能。生命的存续依赖于蛋白质,而蛋白质的合成又依赖于RNA。除了携带制造蛋白质的遗传指令,RNA还参与蛋白质的组装过程。在现代细胞中,首先由大型蛋白质酶将RNA片段与氨基酸(蛋白质的基本组成单位)连接,随后由RNA和蛋白质共同构成的细胞机器(核糖体)会读取信使RNA链上的编码序列,将氨基酸逐一连接成蛋白质链。但在数十亿年前,在酶和核糖体尚未演化的时代,生命最初的蛋白质又是如何形成的?

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(图片来源:《Science》)

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(图片来源:科学网)

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科技导报 | 科技新闻 2025,43(17): 14-15
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首批蛋白质组装机制提供生命起源新线索
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F. Service Robert
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F. Service Robert
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出版时间: 2025-09-13 doi:
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作为细胞中的“万能劳模”,蛋白质承担着从肌肉收缩到氧气输送等各类功能。生命的存续依赖于蛋白质,而蛋白质的合成又依赖于RNA。除了携带制造蛋白质的遗传指令,RNA还参与蛋白质的组装过程。在现代细胞中,首先由大型蛋白质酶将RNA片段与氨基酸(蛋白质的基本组成单位)连接,随后由RNA和蛋白质共同构成的细胞机器(核糖体)会读取信使RNA链上的编码序列,将氨基酸逐一连接成蛋白质链。但在数十亿年前,在酶和核糖体尚未演化的时代,生命最初的蛋白质又是如何形成的?

作为细胞中的“万能劳模”,蛋白质承担着从肌肉收缩到氧气输送等各类功能。生命的存续依赖于蛋白质,而蛋白质的合成又依赖于RNA。除了携带制造蛋白质的遗传指令,RNA还参与蛋白质的组装过程。在现代细胞中,首先由大型蛋白质酶将RNA片段与氨基酸(蛋白质的基本组成单位)连接,随后由RNA和蛋白质共同构成的细胞机器(核糖体)会读取信使RNA链上的编码序列,将氨基酸逐一连接成蛋白质链。但在数十亿年前,在酶和核糖体尚未演化的时代,生命最初的蛋白质又是如何形成的?

F. Service Robert. 首批蛋白质组装机制提供生命起源新线索. 科技导报, 2025 , 43 (17) : 14 -15 .
F. Service Robert. Science & Technology Review, 2025 , 43 (17) : 14 -15 .
研究揭示RNA或能在无预制蛋白质机制条件下促成氨基酸连接
作为细胞中的“万能劳模”,蛋白质承担着从肌肉收缩到氧气输送等各类功能。生命的存续依赖于蛋白质,而蛋白质的合成又依赖于RNA。除了携带制造蛋白质的遗传指令,RNA还参与蛋白质的组装过程。在现代细胞中,首先由大型蛋白质酶将RNA片段与氨基酸(蛋白质的基本组成单位)连接,随后由RNA和蛋白质共同构成的细胞机器(核糖体)会读取信使RNA链上的编码序列,将氨基酸逐一连接成蛋白质链。但在数十亿年前,在酶和核糖体尚未演化的时代,生命最初的蛋白质又是如何形成的?
研究人员提出了一种全新机制:在无需复杂酶或核糖体参与的情况下,RNA和氨基酸可配对组装成小分子蛋白质(肽)。这项发表于《Nature》的研究,为揭示RNA如何协助形成首批简单蛋白质提供了线索,而这一关键过程也许正是生命进化的基石。
伦敦大学学院化学家、研究负责人Matthew Powner表示:“这是实现生命信息分子编码肽链的第一步。”慕尼黑路德维希-马克西米利安大学化学家Thomas Carell评价该研究“为解决前生命化学重大谜题提供了精彩洞见”。
蛋白质与核酸合作的核心在于RNA促进氨基酸连接的过程。氨基酸无法自发形成蛋白质,必须经过化学“激活”才能像火车车厢一样串联起来。现代生物通过大型酶促作用,促进氨基酸与细胞能量分子ATP的反应,生成一种特殊形态的氨基酸,并与RNA发生化学反应,进而形成一种活化复合物(氨酰基RNA)。之后,核糖体才能以其为原料,在剪除RNA片段的同时将氨基酸拼接成肽链。
自20世纪70年代以来,众多研究团队试图在模拟早期地球原始环境的条件下,通过化学策略合成活化氨酰基RNA。但Powner指出,这些反应要么效率低下,要么根本无法进行,且生成的化合物在水中极不稳定,难以在早期地球长期存续。
为突破这一局限,Powner团队转而研究另一种高能化合物,即参与多种细胞代谢反应的泛酰硫基乙胺。2024年,研究人员证实泛酰硫基乙胺可在早期地球湖泊环境中自然形成。在这项新研究中,他们将泛酰硫基乙胺加入含有氨基酸的水中,两者发生反应,形成名为“氨酰基硫醇”的复合物,这种物质随时可与RNA发生反应。耶路撒冷希伯来大学生命起源化学家Moran Frenkel-Pinter解释道:“这种复合物能使氨基酸与RNA结合,而非氨基酸之间的相互反应。”
RNA存在单链螺旋和双链螺旋2种形态。当Powner团队尝试使氨酰基硫醇与单链RNA反应时,氨基酸会无序地附着在RNA链各处。但使用更接近现代细胞中氨基酸配对模式的双链RNA时,反应生成的活化氨酰基RNA结构与酶促产物完全一致。未参与研究的伦敦大学学院生命起源化学家Nick Lane评价道:“这项成果令人印象深刻,即便过程略有不同,但确实呈现了生命化学的雏形。”
Powner团队进一步推进实验,在反应体系中加入早期地球可能大量存在的硫化氢和硫代酸,成功使氨酰基RNA中的氨基酸片段自发性连接成肽链,且全程无需酶或核糖体参与。Lane指出,该研究目前仅能生成随机序列的肽链,与核糖体通过基因调控的有序排列不同。
Lane表示:“他们尚未攻克这一难题。”Powner对此表示认同,但也指出当前研究已发现部分RNA对特定氨基酸的结合具有微弱偏好性:“这只是第一步。”
尽管“有序排列”的难题尚未破解,Lane仍认为这项研究有助于弥合生命起源研究领域不同阵营的分歧。数十年来,“RNA优先”学派强调RNA的核心作用,而“新陈代谢优先”学派则主张自维持化学网络应先于自我复制的遗传分子出现。Lane表示,这项研究表明高能化合物在连接氨基酸与RNA过程中发挥关键作用,让“整个领域的观点在一定程度上趋于统一”。
(译自《Science》,2025,389(6763))

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2025年第43卷第17期
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  • 首发时间:2025-12-18
  • 出版时间:2025-09-13
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鹅膏菌科Amanitaceae 2 11 5.26 鹅膏菌属 Amanita 10 4.78
小菇科 Mycenaceae 2 12 5.74 丝盖伞属 Inocybe 5 2.39
多孔菌科 Polyporaceae 8 14 6.70 蜡蘑属 Laccaria 5 2.39
红菇科 Russulaceae 3 23 11.00 小皮伞属 Marasmius 6 2.87
小菇属 Mycena 11 5.26
光柄菇属 Pluteus 5 2.39
红菇属 Russula 17 8.13
栓菌属 Trametes 5 2.39
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