PNAS:美科学家揭示核糖体的进化发展史
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。”
原文链接：
History of the ribosome and the origin of translation
原文摘要：
We present a molecular-level model for the origin and evolution of the translation system, using a 3D comparative method. In this model, the ribosome evolved by accretion, recursively adding expansion segments, iteratively growing, subsuming, and freezing the rRNA. Functions of expansion segments in the ancestral ribosome are assigned by correspondence with their functions in the extant ribosome. The model explains the evolution of the large ribosomal subunit, the small ribosomal subunit, tRNA, and mRNA. Prokaryotic ribosomes evolved in six phases, sequentially acquiring capabilities for RNA folding, catalysis, subunit association, correlated evolution, decoding, energy-driven translocation, and surface proteinization. Two additional phases exclusive to eukaryotes led to tentacle-like rRNA expansions. In this model, ribosomal proteinization was a driving force for the broad adoption of proteins in other biological processes. The exit tunnel was clearly a central theme of all phases of ribosomal evolution and was continuously extended and rigidified. In the primitive noncoding ribosome, proto-mRNA and the small ribosomal subunit acted as cofactors, positioning the activated ends of tRNAs within the peptidyl transferase center. This association linked the evolution of the large and small ribosomal subunits, proto-mRNA, and tRNA.
作者：Loren Williams
