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PNAS:美科学家揭示核糖体的进化发展史
文/admin      2015/12/03
  11月30日,国际权威学术刊物《PNAS》上发表乔治亚理工学院的Loren Williams教授的一篇研究论文,研究人员在现代细胞中检测了核糖体RNA中的变异,为远古时期的重要事件建立了时间轴,向人们展现了生命起源初期的分子结构和生化反应。
 
  “我们正在想办法读取最古老的生物学记录,以便理解地球上的生命起源和生命进化,实际上,核糖体本身也是不断演化的。它的演化史可以展示简单分子如何携手实现生物学功能,它的结构记录着生命之初(大约三十八亿年前)发生的生物学事件。 ”乔治亚理工学院的Loren Williams教授说。
 
  核糖体结构记录着自己的过去,就像大树的年轮一样。每过一年大树的年轮就增加一圈,中央的年轮代表着少年岁月,外层年轮记录着大树的近况,已经形成的年轮不会再发生变化。与此类似的是,现代核糖体具有一个共同的核心,可以追溯到三十八亿年前。包括人类在内的所有生物都共享这个核糖体核心。
 
  “核糖体默默记录着自己的历史,”Williams说。“随着时间的推移,核糖体变得越来越大。它在增大的同时封存了原始的部分,这一点跟大树的年轮很相似,只要树还活着内部年轮就不会改变。核糖体核心比生命还要古老,由我们还不了解的过程生成。”
 
  研究人员指出,核糖体的记录能力可以帮助人们了解生命在历史长河中发生的变化,揭示远古时期地球上的环境条件,甚至有助于在宇宙其他地方寻找生命迹象。
 
  “这项工作让我们能够回到生命之初,去研究所有现代细胞的祖先,”NASA天体生物学研究所的Carl Pilcher说。“我们可以在此基础上理解地球生命发展的最初阶段,或者在地球以外寻找可能出现生命的外星环境。”
 
  研究人员对核糖体附件进行了深入研究,解析了附件插入位点的“分子指纹”和核糖体发展的主要规则。他们通过结构比较方法(Structural Comparative Method),详细模拟了核糖体的发展史。
 
  “我们收集了各个物种的核糖体(包括人类、酵母、细菌和古生菌),研究其可变的表面部分。研究显示,这些核糖体改变遵循着一些特定的规则,”Williams说。“我们将这些规则应用到核糖体的核心部分,追溯最初的RNA片段。”
 
  虽然核糖体现在是蛋白质合成的工厂,但最早的生命形式并没有蛋白。研究人员认为,不含蛋白的核糖体区域在蛋白出现之前就已经存在。“当核糖体获得某种能力的时候,它的性质发生了改变,”Williams说。
 
  虽然所有生物的核糖体核心都一样,但核心上附加的元件并不相同。举例来说,人类拥有世界上最大的核糖体,包含大约七千个核苷酸。最初的核糖体发生了显著的生长,“从短RNA片段发展到我们今天看到的复杂分子机器,”Williams说。“这是一个令人难以想象的过程。”
 
  核糖体发展信息不仅有助于人们理解进化的步伐,还对人类健康有更为实际的意义。“核糖体是抗生素的主要靶标之一,理解它的结构和一致性有很大的好处,”Williams说。“此外,核糖体研究为我们提供了一个独特的生物学视角,可以揭示RNA与蛋白质之间的共生关系。”
 
  Williams及其同事正在对自己建立的模型进行验证。“我们根据实验数据构建了一个核糖体发展模型,以便追溯生命之初的远古时代,”Williams解释道。“我们打算继续测试这一模型的预测能力。”
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