RNA概念图

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慕尼黑路德维希大学（Ludwig-Maximilians universitatet，LMU）的一个研究小组发现，转移RNA分子（transfer-RNA-molecules，tRNAs）的微小改变使它们能够自组装成一个功能单元，并且能指数级复制信息。

tRNAs是早期生命形式进化的关键因素。

在我们的身体里，一个基本的过程每天重复无数次复制，蛋白质复制了储存在细胞核中的DNA分子中编码的遗传信息——然后在细胞分裂过程中将它们平均分配给两个子细胞。然后这些信息被选择性地复制（“转录”）成信使RNA分子（mRNAs），后者指导相关细胞类型所需的许多不同蛋白质的合成。第二种类型的RNA——转移RNA（tRNA）——在将mRNAs“翻译”成蛋白质的过程中起着核心作用。tRNA在mRNA和蛋白质之间起着中介作用：它们确保每个特定蛋白质组成的氨基酸亚基按照相应mRNA指定的顺序排列在一起。

当生命系统最初在地球早期进化时，DNA复制和mRNAs转化为蛋白质之间的复杂相互作用是如何产生的？我们这里有一个鸡和蛋问题的经典例子：蛋白质是基因信息转录所必需的，但它们的合成本身依赖于转录。

LMU的物理学家Dieter Braun教授领导下现在证明了这个难题如何解决。他们已经证明，对现代tRNA分子结构的微小修改使它们能够自主地相互作用，形成一种复制模块，能够以指数方式复制信息。这一发现意味着tRNAs——现代细胞中转录和翻译之间的关键中介——也可能是最早生命系统中复制和翻译之间的关键联系。因此，它可以为先有DNA还是先有蛋白质提供一个简洁的答案。

引人注目的是，就其序列和整体结构而言，tRNAs在生命的所有三个领域都高度保守，即单细胞古细菌和细菌（缺乏细胞核）以及真核生物（细胞中含有真核的生物体）。这一事实本身就表明tRNAs是生物圈中最古老的分子之一。

就像生命进化的后期步骤一样，复制和翻译的进化——以及它们之间的复杂关系——并不是一步一个脚印的结果。这种物理和化学过程完全取决于提供非平衡条件的环境的可用性

在他们的实验中，Braun实验室使用了一组相互互补的DNA链，模拟了现代tRNAs的特征形式。每一个都是由两个“发夹”构成的，中间有一个信息序列。八条这样的链可以通过互补的碱基配对相互作用形成一个复合体。根据中央信息区指示的配对模式，这个复合体能够编码4位二进制代码。

每个实验都从一个模板开始——一个信息结构，由两种定义二进制序列的中心信息序列组成。这个序列决定了互补分子的形式，它可以在可用链池中与之相互作用。模板化的二元结构可以通过在冷暖之间应用温度波动的重复序列来重复复制，即放大。因此可以想象，这种复制机制可能发生在地球早期的热液微系统上。特别是，捕获在海底多孔岩石中的水溶液将为这种反应循环提供有利的环境，因为已知在这种环境中会发生由对流产生的自然温度振荡。

在复制过程中，互补链（从分子池中提取）与模板链的信息片段配对。随着时间的推移，这些链的相邻发夹也配对形成一个稳定的主干，温度振荡继续驱动放大过程。如果温度升高一小段时间，模板链就会从新形成的复制品中分离出来，然后两者都可以作为下一轮复制的模板链。

这个实验证明这个系统能够进行指数级的复制。这是一个重要的发现，因为它表明复制机制特别能够抵抗由于错误累积而导致的崩溃。复制子复合体本身的结构类似于现代tRNA，提示早期形式的tRNA可能参与了分子复制过程，在tRNA分子在信使RNA序列转化为蛋白质中发挥现代作用之前。“在早期进化场景中，复制和翻译之间的这种联系可以为鸡和蛋的问题提供一个解决方案，”Alexandra Kühnlein说。它还可以解释原始tRNAs的特征形式，并在tRNAs被用于翻译之前阐明它们的作用。

在化学聚合物水平上对生命起源和达尔文进化论出现的实验室研究，也对生物技术的未来产生了影响。这些对早期分子复制形式的研究以及复制和翻译之间联系的发现，使我们离重建生命起源又近了一步。

原文检索：Alexandra Kühnlein, Simon A Lanzmich, Dieter Braun. tRNA sequences can assemble into a replicator. eLife, 2021; 10 DOI: 10.7554/eLife.63431

（生物通：伍松）