【RNA】万字综述：生命的起源于RNA？

摘要

达尔文的断言：“目前关于生命起源的思考纯粹是废话”，现在已经不再成立。通过综合生命起源（OoL）研究，从其开始到最近的发现，重点关注（i）原生物化学合成的原理证明和（ii）古代RNA世界的分子遗迹，我们提供了科学对OoL和RNA世界假说的全面最新描述。基于这些观察，我们巩固了这样的共识：RNA在编码蛋白质和DNA基因组之前演化，因此生物圈从一个RNA核心开始，在RNA转录和DNA复制之前产生了大部分的翻译装置和相关RNA结构。这支持了这样的结论：OoL是一个渐进的化学演化过程，涉及一系列介于原生物化学和最后的普遍共同祖先（LUCA）之间的过渡形式，其中RNA起到了核心作用，沿着这条路径的许多事件及其相对发生顺序是已知的。这一综合性合成的本质还扩展了以前的描述和概念，并应有助于提出关于古代RNA世界和OoL的未来问题和实验。

RNA世界的起源

RNA世界假说：历史和理论背景

现代有机体中通用的典型DNA⇒RNA⇒蛋白质信息流模式。信息聚合体是生命的必要条件意味着地球上的生命起源（OoL）必须涉及分子编码生物信息的出现。尽管核酸基和氨基酸基的信息聚合体在当代生物圈中占主导地位，但第一个自我复制系统同时通过随机化学反应产生功能性核酸聚合体和功能性蛋白质的可能性要小得多（Cech 2012）。更加简约的观点是，现代生活的三元信息流模式是由涉及单一信息聚合体类别的一元系统先行的。在这样的一元系统中，一类占主导地位的信息聚合体具有足够的结构和功能多样性，导致了具有不同结构和功能的信息聚合体的不同谱系的产生，最终导致了最后的普遍共同祖先（LUCA）的起源。在这一观点中，一种具有催化活性的原始信息聚合体执行了自身的自我复制催化。这个想法并不新鲜，因为催化信息聚合体在OoL中起作用的假说与生命始于Troland在1910年代提出的原始“遗传酶”的观点一致（在Lazcano 2010中提到）。

RNA作为原始信息聚合体的观点是在1960年代提出的（Woese 1967；Crick 1968；Orgel 1968）。tRNA和rRNA在蛋白质合成中所起的基本作用导致了蛋白质合成在功能RNA的环境中出现的假说，例如，无蛋白核糖体和RNA复制酶（Crick 1968）。然而，在没有RNA潜在催化功能的知识的情况下，RNA的原始性在很大程度上得不到支持，直到Cech（Kruger等人，1982）和Altman（Guerrier-Takada等人，1983）实验室发现RNA催化剂或核酶。Spiegelman关于一种小的218 nt RNA分子在体外使用RNA依赖性RNA聚合酶进行复制的工作（Kacian等人，1972），后来被命名为Spiegelman的怪物，也可以被视为支持原始RNA的早期证据。尽管最初已知的天然核酶仅限于第一组自剪接内含子（Kruger等人，1982）和RNase P的催化组分（Guerrier-Takada等人，1983），但RNA的催化剂库通过发现多个其他天然存在的RNA催化剂而进一步增加。读者被引导到Deng等人（2023）以获得已知的天然核酶家族和类别的列表，其中包括第二组自剪接内含子、丙型肝炎三角病毒、Varkud卫星、发夹、战锤头、GIR1、glmS，以及值得注意的核糖体RNA。人工生成的核酶的列表也很广泛，现在包括能够氨基酰化（Turk等人，2010；Ishida等人，2020）、磷酸化（Biondi等人，2012；Dolan等人，2015）、连接（Zhou等人，2020b）、烷基化（Wilson和Szostak，1995；Deng等人，2022）、辅酶连接（Breaker和Joyce，1995）、核苷酸合成（Unrau和Bartel，1998）以及重要的RNA依赖性RNA聚合酶活性（Johnston等人，2001；Zaher和Unrau，2007；Bentin，2011；Wochner等人，2011；Horning和Joyce，2016；Tagami等人，2017；Tjhung等人，2020；Cojocaru和Unrau，2021）。

RNA酶功能的庞大且不断增加的剧目为基于RNA的无蛋白生活的想法提供了先验支持，这就是所谓的RNA世界（Gilbert 1986）。催化RNA现在似乎解决了DNA复制起源的鸡和蛋悖论，即DNA需要蛋白质来复制，但蛋白质需要DNA来存储其序列信息。鉴于观察到不同的作者对RNA世界有各种解释（Joyce和Orgel 1993），这一综合并不声称提供假说的普遍定义。然而，建议一个工作定义：RNA世界假说表示在编码蛋白质和DNA基因组出现之前，生命纳入了RNA的观点。我们认为有足够的证据支持这一观点，不容合理怀疑。

RNA是否源于更早的信息聚合体？

正如RNA世界假说所断言的，RNA在编码蛋白质和DNA基因组之前演化，并不一定意味着RNA是地球历史上出现的第一个信息聚合体。有人建议，部分原因是由于与原生物RNA合成有关的困难，RNA可能源于早期的类RNA聚合体（Cafferty等人，2018）。其他潜在的信息聚合体已经被指出（Orgel 2004），包括2′–3′-去氧-葡萄糖（同源-DNA）、吡喃醣-RNA（p-RNA）、苏糖核酸（TNA）和肽核酸（PNA）。Nielsen（1993）提出了第一个RNA酶可能在“PNA/RNA世界”中建立的可能性，他推测RNA肽基转移酶可能有助于形成PNA的聚酰胺主链，这可能作为RNA聚合的模板（Nielsen 1993）。尽管有这些考虑，现代生活的RNA世界分子化石暗示，原始生命必须在某个阶段纳入RNA，即使它最初是基于非RNA聚合体。Xu等人（2022）表明，被认为是原生物化学合成合理的异噁唑核苷（Becker等人，2019）可以以选择性和稳定的方式与鸟嘌呤形成碱基对，并可以在RNA链内重新排列成胞嘧啶。因此，通过由两种单体组成的一系列杂交聚合体，pre-RNA可能逐渐演化成RNA。

生物前化学的起源

生命起源（OoL）是一个演化过程的观点意味着在无生物物质和第一个细胞之间必须存在一系列越来越像生命的实体。沿着这一连续体的事件包括从无机到有机化学的转变，这可能涉及到第一个核苷酸、脂肪酸和其他生物分子的起源，以及随后封装的自我复制信息聚合物的出现，最终导致了细胞生命。有几个因素支持这一观点：渐进主义，即观察到足够长的时间内许多小的变化可以产生大的变化；机械主义观念，即有机体最终是具有从物理和化学定律衍生出的属性的物质系统；以及混合主义原则，即混合形式可以，而且经常弥合两个或更多看似不同的生物类别之间的差距。

演示复杂单体的生物前合成可行性一直是OoL实验的关键目标。早期的一个例子显示，由甲烷、氨、水和氢气组成的起始材料在电放电后可以产生多种氨基酸，由米勒描述。尽管米勒实验的一些假设，例如早期地球大气的还原程度已经受到挑战，但重要的是米勒展示了从更简单的起始材料形成复杂生物分子的容易程度。鉴于生物前这一术语的弹性，我们不试图确定什么使某物在生物前方面成为可能，也不回顾与特定生物前合成相关的具体化学挑战，但我们注意到，通过可能的生物前可行途径已经提出了许多生物相关单体的合成，包括核糖核酸、碳水化合物、脂质和氨基酸。内源机制，如热液喷口、电火花放电、地热温泉、紫外辐射和火山爆发，以及物体，如陨石、小行星和彗星，已被描述为生物前地球上生物相关单体积累的潜在能源。

化学和聚合物的隔离

随着早期地球上分子复杂性的逐渐增加，祖先分子必须在某一点与其分子后代发展出时空联系。生物前化学的隔离到不同的部位是必要的，这些部位可能包括脂质膜、中空凝聚物、有机水凝胶、粘土和脂质层相，以满足“一起停留的分子一起演化”的断言。例如，在观察到具有相似共表达水平的蛋白质经常与其相互作用者共同演化以保持蛋白质-蛋白质相互作用的情况下，时空联系的分子倾向于共同演化是显而易见的。另一个早期潜在的隔离机制是由于液-液相分离（LLPS）导致的凝聚物促进了核苷酸的积累及其随后演化为RNA聚合物。尽管存在许多隔离途径，但现代生活对基于脂质的膜的依赖最终涉及了OoL中的这一机制。由于它们的渗透性更大、极性更低和整体简单性，人们建议第一个膜是基于脂肪酸的。

【Cell】有关生物大分子凝聚体以及液液相分离的知识汇总（六）

因为脂质在适当的pH值下自发地在水中形成球形囊泡，所以可以想象脂肪酸囊泡在信息聚合物的起源之前封装了第一个生物分子。最终，囊泡内的核苷酸演化成自我复制的RNA聚合物，与囊泡的生长和分裂相结合。当脂肪酸膜逐渐通过一系列混合膜合并磷脂时，现代磷脂膜可能演化而成。蒙脱石，一种RNA聚合的粘土催化剂，也具有增强膜形成的催化性能，蒙脱石增强的原始细胞膜形成可以通过吸附RNA的粘土颗粒将RNA聚合物带入新形成的膜。由于已知早期地球上可能发生的火山灰风化会产生蒙脱石，这些发现提供了生物前RNA聚合和生物前膜演化之间的潜在联系。尽管蒙脱石已被广泛用于模拟生物前聚合，但通过共晶冰也已非酶促地生成RNA聚合物。通过上述机制非酶促地生成的RNA或RNA样聚合物如何在多代中保持完整，最终被脂质膜封装仍不清楚。

导致第一个原始细胞形成的事件可能与Zhu和Szostak提出的生长和分裂周期相似。他们的实验表明，较大的多层脂肪酸囊泡可以通过较小的脂肪酸囊泡（胶束）供给，以便较大的供给囊泡在此之后产生线状突起，然后适度的剪切力导致突起断裂并分裂成新的脂肪酸囊泡。这些新的囊泡可以重新聚集到较大的多层囊泡中以重新启动周期。在这些周期中，囊泡内封装的RNA分子在分裂后仍然被封装，并可以重新分配到所产生的囊泡中。最近，Zhou等人展示了在模型原始细胞内，通过逐步连接反应以模板依赖的方式合并四核苷酸的3′-氨基修饰的寡核苷酸可以产生长达200个核苷酸的RNA聚合物。尽管这一展示代表了原始细胞研究的关键进展，但3′-氨基寡核苷酸以及人为控制的连接反应可能在生物前方面并不合理。虽然这两个模型都为物理化学过程可能产生具有封装信息聚合物的自我复制囊泡提供了一些支持，但尚未完全展示模板引导的非酶促RNA自我复制直接与自我复制原始细胞耦合。这样的展示将揭示我们称之为pre-RNA World的生物前化学是如何过渡到RNA World的。

另一个讨论点是RNA的聚合，没有模板引导的复制，是否可以产生具有适应性生物功能的RNA聚合物。Wu等人提出环闭连接作为一种机制，通过该机制，以模板自由方式制造的RNA寡聚物被转化为功能性RNA发夹茎-环结构，例如tRNA迷你螺旋和榔头核酶。前者结构可能在翻译起源的非常早期阶段起到了关键作用。因此，可以想象，在模板引导的RNA合成的起源之前，早期地球上偶尔形成的RNA聚合物是有功能的。

古代RNA世界中RNA的结构和功能多样性：核酶、核糖开关和自剪接内含子

有大量并且不断增长的原则性研究证明了RNA的结构和功能多样性。这些发现支持了RNA足够多样化，可以在编码蛋白质和DNA基因组之前作为主要的催化和信息聚合物的观点。RNA广泛功能组合的一个显著例子是其作为配体结合功能的自我调节能力。自从2000年初发现以来，现已知存在于生命的三个领域中的核糖开关，立即被认为具有早期起源。目前，有超过50类核糖开关，有证据表明一些现代核糖开关可能是基于RNA的古代传感器和开关演化而来的，这些传感器和开关在演化的蛋白质前阶段出现。尽管核糖开关位于mRNA内并参与转录、翻译和RNA处理的调控，但RNA在配体结合响应下发生构象变化的一般原则理论上可以适用于mRNA以外的RNA分子。许多核糖开关的辅助因子，如FMN和辅酶B12，包含其生化结构内的核苷酸，这表明了RNA世界内可能涉及现代核糖开关祖先的潜在阶段。

作为古代RNA世界遗传学和新陈代谢起源之间的潜在桥梁，也可以想象一些核酶逐渐发展出对特定代谢物进行变构调控的能力。这样的核糖开关-核酶可能作为第一个变构调控的RNA催化剂发挥作用，允许在现代配体依赖蛋白质起源之前出现类似Jacob-Monod的基因调控形式。与此观点一致的是一组具有变构调控能力的I型自剪接核酶，其中环状二鸟苷酸结合决定了获得的特定剪接产物。在它们被发现之前，通过体外选择获得了各种非天然配体依赖性核酶，从而证明了人工功能RNA可以提供关于天然功能RNA的线索。glmS自剪接核酶也很有趣，部分原因是其自剪接活性通过选择性结合葡萄糖胺-6-磷酸促进。

关于在剪接体内发现的RNA结构起源的可能情景的推测包括RNA世界。有人推测，在剪接体的起源期间，II型自剪接内含子分裂成五个部分，产生了五个snRNA（U1、U2、U4、U5和U6）。与Sharp的假设一致，Zimmerly和Semper回顾了剪接体内含子、snRNA和II型内含子之间的结构和功能相似性，并得出结论：“过去2年的重要见解在很大程度上消除了关于剪接体起源于II型内含子的长期假设的怀疑。”尽管snRNA从II型内含子的演化可能发生在真核生物生成之后，因此远在古代RNA世界之后，但自剪接内含子早于剪接体内含子的假设与RNA而不是蛋白质是内含子处理的初始主要分子的观点一致。它还有助于扩展RNA已知的结构和功能多样性。事实上，自剪接内含子的存在作为古代RNA世界的证据是Gilbert首次提出该术语时提出的一个论点。

与RNA世界有关的另一个观察是II型内含子编码称为内含子编码蛋白（IEP）的反转录酶。由于反转录酶可能为RNA基因组生成互补DNA提供了途径，从而导致RNA基因组被DNA基因组取代，这一发现可能涉及II型内含子及其反转录酶在RNA到DNA的演化过渡中。这一情景将符合蛋白酶对RNA到DNA基因组的过渡是必需的观点，即最初的反转录酶不是核酶而是蛋白酶，也许与II型内含子的IEP有关。或者，RNA到DNA基因组过渡的最初反转录酶可能是核酶，在这种情况下，II型内含子的IEP在DNA基因组和编码蛋白质出现后演化。尽管缺乏对任一情景的事后证据，但第一个反转录酶是核酶的假设可能在演化上更简单，并且与人工核酶能够进行反转录的存在一致。

先前提到的已知天然和人工核酶的列表增加了RNA的已知多样性，同时提供了关于古代RNA世界性质的线索。这些发现表明，古代RNA世界中的功能RNA可能具有磷酸化、核苷酸合成、连接、烷基化、辅酶附着、RNA依赖性RNA聚合等能力。也许氨基酸化学与功能RNA动力学的最终耦合促进了核酶和氨基酸的共同演化，从而导致了氨基酰化和肽基转移酶核酶在原始多肽合成的诞生期间的出现。

RNA世界中翻译为中心的特性

考虑到翻译和遗传密码在维持生命中的核心作用，RNA世界和生命起源（OoL）都涉及核糖体起源的想法并不出人意料。与此观点一致的是，与翻译有关的基因占据了所有生物共有的小于100个基因的集合，被称为生命的通用基因集（Universal Gene Set of Life）。相比之下，与DNA复制和转录有关的基因在这个基因集中较少发现；也就是说，它们在进化过程中的保守程度低于与翻译有关的基因。

观察到核糖体的催化核心是RNA酶，这与OoL的RNA为中心和翻译为中心的特性一致，并被后来用来支持RNA在生命早期演化中早于编码蛋白质的观点。蛋白质占据核糖体的外围，而RNA构成核糖体的核心部分和出口隧道，并执行其氨基酰-tRNA选择功能，这表明核糖体的演化始于RNA，而不是蛋白质。这些考虑因素使人们能够设想一个没有r-蛋白的原始基于RNA的核糖体，符合Crick的观点，他写道：“人们很容易想知道原始核糖体是否完全由RNA构成。”这些建议与假设肽转移中心（PTC），核糖体心脏的RNA催化剂，被认为是结构的最早特征之一的假设相一致。有人推测，如果需要核糖体来制造编码蛋白质，那么在第一个核糖体或原核糖体之前，编码蛋白质就不存在。如果核糖体始于RNA，那么就意味着RNA在编码蛋白质之前演化。这支持了RNA世界假说毫无疑问，同时使得“RNA世界是如何产生并转变为现代生活”和“RNA是否足够稳定和简单以至于在早期条件下出现”等问题不如RNA在编码蛋白质之前出现的潜在历史事实重要。类比地，基于分子化石数据，人们可以推断线粒体是从自由生活的细菌演化而来，而不需要精确了解细菌本身是如何起源和转变为线粒体的。

与OoL的翻译为中心的特性一致，以及隔室化的必要性，Wolf和Koonin描述了翻译起源的背景是“一个隔室化的复制，共选择RNA片段的整体”。这样的情景可能反映了RNA世界的后期阶段由膜结合的最小翻译装置组成。核糖体和翻译的起源不应与RNA世界本身的起源混为一谈，因为后者的出现，即足够多样化的功能RNA池，是真正核糖体和翻译装置出现的必要条件。在这个观点中，完全形成的核糖体和翻译装置是RNA世界后期的发明，它们的RNA为中心的特性支持了它们的演化需要一个先前的多样化功能RNA池。尽管翻译和核糖体在RNA世界中较晚出现，但不能排除较小的RNA片段在RNA世界的相对较早阶段形成，具有类似核糖体的功能属性，即具有催化肽键形成以产生小的非编码寡聚物的小功能RNA的可能性。

基于之前描述的杂交和渐进主义原则，现代翻译系统可能源于越来越像翻译的过程，从形成足够功能的最小翻译装置开始。朝着人工合成这种最小翻译机械的方面的进展正在进行中。例如，已经显示氨基酸与单个核酸连接可以形成基于模板的二肽，无需核糖体。此外，最近的一项基于质谱的研究发现，从PTC衍生的各种最小核糖体结构可以形成肽键，从而得出结论，原核糖体可能弥合了RNA世界与DNA-RNA-蛋白质主导的生命之间的鸿沟。尽管Bose等人的发现可能是突破性的，但该研究将受益于包括有缺陷或随机最小核糖体结构的实验条件，因为当前的阴性实验对照仅由没有核糖体或RNA的条件组成。人工合成或重构当前生物圈的与翻译有关的元素的成功尝试，即合成5 nt长的氨基酰化核酶，原核16S rRNA的人工

体外合成和组装，以及无蛋白RNA为基础的15-aa长多肽的合成，也可以帮助阐明OoL期间的潜在事件。考虑到生命中一些最保守的核苷酸序列位于rRNA内，以及生命的通用基因集的翻译为中心的特性，现代rRNA应该至少包含一些来自LUCA和可能的生命起源前阶段的化石序列。rRNA不同片段的相对出现顺序也可以用来推断OoL期间分子水平上发生的演化事件。一些人已经应用了这种推理来阐明核糖体和翻译起源的潜在事实。

尽管大多数理论预测核糖体的演化始于PTC，但Harish和Caetano-Anollés得出结论，小核糖体亚基的一些组成部分比PTC更古老，从而延伸，核糖体的解码功能在其催化肽合成的能力之前出现。作为该模型的一部分，他们提出r-蛋白和其前体在核糖体演化的早期阶段起着重要作用，早于PTC的起源，从而在翻译出现之前产生了编码蛋白质，可能是通过自催化或非核糖体蛋白质合成。然而，非核糖体肽合成需要复杂的多功能酶，因此编码蛋白质（由特定氨基酸序列组成）在遗传密码本身之前演化似乎不太可能。Harish和Caetano-Anollés提出的模型的一个重要局限性因此是其预测了在核糖体蛋白质合成的起源之前产生和复制功能蛋白质的系统。

核糖体起源的另一个模型认为大亚基的最古老部分位于PTC内。这一出版物之后是Petrov等人提出的核糖体历史的全面总结，涉及PTC在核糖体解码之前演化的提议。值得注意的是，这两篇出版物的作者已经发表了对Harish和Caetano-Anollés提出的模型的回应，这是更大交流的一部分，读者被引导到那里。Petrov等人提出的核糖体历史还描述了其他与翻译有关的元素的起源，例如tRNA和mRNA片段。在tRNA方面，他们推测RNA茎环和迷你螺旋在原始CCA在核糖体起源的假设早期阶段相互作用时出现。此后，它们的渐进演化变得耦合，当原始tRNA分子出现时，导致核糖体移位的起源。与此一致，早些时候提出了LSU和SSU rRNA之间的建筑相似性表明了proto-LSU和proto-SSU的共同演化起源。

考虑到氨基酰化在翻译中的重要性，已有几项研究探讨了RNA的早期氨基酰化的潜在机制。随着RNA世界最终演变为肽，它可能在原始生命的催化功能定位到编码蛋白质之前产生了RNA-肽世界。与此有关，Müller等人展示了如何通过直接在RNA分子上合成肽来产生RNA-肽嵌合体。核酸蛋白酶在现代有机体中的关键作用也表明，即使现在大部分催化作用是由蛋白质实现的，蛋白质也没有完全取代RNA作为催化分子。

考虑到rRNA和tRNA在翻译中的核心地位，翻译的起源必须涉及这两个分子的祖先。一个值得注意且被广泛引用的假设是，两个类似发夹的RNA分子的结合是tRNA起源期间的一个核心事件。在这个观点中，每个发夹都包含一个特定氨基酸的核苷酸片段。当两个发夹结合时，其中一个序列发展成受体茎，而另一个演变成现代的反密码子。这导致了一个十字形结构，然后演变成当前tRNA的三叶草外观。也可以想象，在遗传密码的建立过程中，原始tRNA基因经历了复制和突变，以逐渐扩展遗传密码，通过将新氨基酸与新密码子-反密码子相互作用相匹配。这表明现存生命的近乎通用遗传密码是通过从包含较少密码子的更小、更简单的密码演化而来的，其中甘氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和缬氨酸可能是加入遗传密码的第一个氨基酸。随着遗传密码的复杂性增加，编码蛋白质逐渐取代了RNA曾经承担的许多功能。观察到几个翻译因子具有被归类为分子拟态的tRNA样3D形状，也可能表明至少一些RNA结构逐渐被蛋白质模仿，直到蛋白质完全取代它们。

尽管RNA世界假说的大部分证据涉及核糖体，但重要的是要考虑现代生活中的核糖开关、自剪接内含子和其他基于RNA的分子结构中发现的RNA世界的遗迹。例如，这种RNA结构可能涉及M1 RNA，鉴于其在tRNA成熟中的催化作用，以及所有三个领域中现代核酶P整体酶从无蛋白RNase P祖先演化而来的建议。

RNA世界起源的聚合酶

两类核酸信息聚合物的存在涉及四种可能的聚合酶活性：(i) RNA依赖的RNA聚合酶（RdRp），(ii) RNA依赖的DNA聚合酶（RdDp），(iii) DNA依赖的DNA聚合酶（DdDp），和(iv) DNA依赖的RNA聚合酶（DdRp）。原则上，这些聚合酶活性可以由核酸酶或蛋白酶催化。RNA世界假说预测的RNA基因组在没有蛋白质的情况下自我复制的古老世界表明，第一个RdRp是在所有其他聚合酶类别之前出现的核酸酶。RNA基因组向DNA基因组的过渡可能需要反转录酶（Samanta和Joyce 2017）表明，第一个RdDp在RdRp之后出现。目前尚不清楚这种聚合酶是由RNA、蛋白质还是两者兼而有之组成。如果RNA到DNA的转换只能在具有足够广泛的编码蛋白质组合之后发生，那么这个RdDp更可能是基于蛋白质的。然而，正如前面所提到的，基于RNA的情景可能在进化上更简单。

RNA基因组到DNA基因组的过渡可能是一个渐进的过程，涉及混合RNA-DNA分子（Gavette等人，2016）以及核糖核苷还原酶和胸苷合成酶（Forterre 2005）。可以想象，从RNA基因组产生的信息丰富的DNA片段不断增长，直到这些聚合物增长到取代RNA基因组，成为信息存储的主导分子。只有在有足够数量的信息丰富的DNA聚合物时，才有必要演化DdDp和DdRp。因此，第一个反转录酶可能早于第一个DdDp和DdRp。然而，目前尚不清楚DNA依赖的DNA复制或DNA依赖的RNA转录哪个更古老，以及第一个DdDp或DdRp催化剂是由RNA、蛋白质还是两者混合组成。尽管我们没有对这些问题给出明确的答案，但我们认为，鉴于在DdDp、DdRp、RdDp和RdRp（Steitz 1993）中发现的共同聚合酶活性部位，以及Koonin等人（2020）提出的模型，即DdDp和DdRp是从一个祖先的RdRp衍生出来的，所有这些考虑因素表明，复制酶演化的可能顺序是：RdRp ⇒ RdDp ⇒ DdDp和/或DdRp。

DNA合成始终以RNA引物开始（Kuchta和Stengel 2010）也与DNA复制和RNA转录的共同起源相一致。的确，复制和转录都涉及从DNA模板合成RNA核苷酸。对于复制，核苷酸被去除并替换为脱氧核苷酸，而在转录中，核苷酸形成一个从DNA分离出来执行功能的RNA聚合物。因此，合成RNA引物的酶primase和合成mRNA的RNA聚合酶之间存在功能相似性。在线粒体中，这两个功能由同一酶，即线粒体RNA聚合酶（也称为POLRMT）（Wanrooij等人，2008；Kühl等人，2016）执行。这一事实的一个合理解释是，一个具有类似于POLRMT的条件性DNA或RNA聚合酶活性的祖先primase样酶可能在生物劳动分工成为DNA复制和RNA转录之前就已经存在。因此，现代RNA聚合酶和DNA聚合酶活性可能源于具有双重功能的一体化祖先primase。在生命起源的这个阶段，将核酸翻译成多肽的功能尚未与从另一核酸聚合物产生核酸信息相耦合。信息流的形式DNA ⇔ RNA ⇒ 蛋白质因此尚未连续，而是涉及DNA和RNA之间的单独信息流（DNA ⇔ RNA）以及RNA到蛋白质的单向信息流（RNA ⇒ 蛋白质）。在某个时候，这两个最初并行演化的信息流路径可能已经耦合成传统方案DNA ⇔ RNA ⇒ 蛋白质。

关于DNA基因组起源的第三个问题是DNA单体、寡聚体和聚合物在均质RNA基因组起源之前的存在程度。RNA世界假说的一部分是在这里定义的，即DNA基因组只有在RNA为基础的有RNA基因组的生物普遍存在之后才开始主导生命。这一事实仍与前生物时代可能已经制造出脱氧核苷酸（Teichert等人，2019；Xu等人，2020）的说法相一致，并且生命起源期间的几种信息聚合物可能包含了RNA和DNA（Trevino等人，2011；Gavette等人，2016；Bhowmik和Krishnamurthy 2019）。与杂交主义原则一致，均质RNA基因组是从包含RNA和非RNA单体的异质信息聚合物池中产生的。原始生命可能演化出一元催化信息聚合物系统而不是二元或三元系统，这意味着催化RNA信息聚合物和催化DNA信息聚合物是在这个阶段主导的相互排斥的选择。虽然许多催化DNA分子或DNA酶已经人工生成（Breaker和Joyce 1994；Achenbach等人，2004；Aranda等人，2019），但目前没有已知的天然DNA酶（Zhou等人，2017；Zhang 2022），并且核糖核苷中的2'羟基团通过增加其折叠、氢键、金属离子配位和催化的能力来扩展RNA的功能组合（Gordon等人，2004）。这些事实与在生命将DNA基因组纳入之前，自我复制的催化信息聚合物的一元系统是基于RNA基因组的观点相一致。

虽然在这里声称有足够的证据支持以下命题：(i) 编码蛋白质在RNA基因组之后演化，(ii) DNA基因组在RNA基因组之后演化，但我们没有对编码蛋白质与DNA基因组的相对出现顺序做出任何坚定的主张。虽然第一个DdDp和/或DdRp催化剂可能是由RNA或可能是RNA和蛋白质共同组成的，但它们似乎更有可能是由蛋白质开始的。如果DdDp和DdRp催化最初是基于RNA的，那么为什么与核糖体和剪接体不同，后者几乎肯定是以催化RNA开始的，现代DdDp和DdRp酶不包含任何明显的RNA中心特征，表明它们的核酸酶起源呢？因此，编码蛋白质在DNA复制和RNA转录的蛋白质中心过程出现之前可能更有可能存在。与这一观点相一致的另一个考虑因素是，涉及RNA中心原始生命的最初一元信息流模式并没有直接演化成一个三元系统，而是通过一个二元中间体过渡的，即一元⇒二元⇒三元，因为DNA基因组对从RNA世界起源的最小翻译装置可能是不必要的。RNA和蛋白质，而不是RNA和DNA，可能是这个二元阶段的两个主要信息聚合物。的确，RNA ⇒ 蛋白质 ⇒ DNA的出现顺序得到了广泛的接受（Cech 2012）。

生命的RNA核心

虽然假设生命始于RNA而不是蛋白质或DNA表明原始世界的基本RNA特性，但它也主张对当代生物圈的更多RNA聚焦的观点。两个RNA世界（Cech 2012），即原始的和现代的，意味着古老的RNA世界从未真正消失。的确，RNA世界不同阶段建立的许多生物学在生命40亿年的演化中起着关键作用，并且仍然对当代生活的架构至关重要。尽管现代RNA世界中源于古老RNA世界的比例仍不确定，但很明显，生命的许多非普遍RNA架构代表了对不同谱系的新的进化增加。然而，显然，现代生物圈确实包含了一些普遍的RNA架构，即核糖体的PTC和大部分翻译装置。生命的这个RNA核心与翻译装置密切相关，我们将其定义为在古老RNA世界晚期或早期出现的普遍保守的基于RNA的架构，并且仍然存在于现代有机体中。RNA核心的其他组成部分可能包括前蛋白核酸开关、自剪接内含子、某些辅因子中存在的RNA单体（Goldman和Kacar 2021）、DNA复制的RNA引物，以及从RNA单体合成DNA单体的普遍过程（Lazcano等人，1988）。所有这些观察都挑战了“现代细胞没有显示出假定的前生物RNA世界的迹象”（Kurland 2010）的说法。旨在识别当代生物圈中普遍保守的RNA架构的进化方法将促进RNA核心的特性化。然后，可以通过在前生物可能的条件下合成重建特定的RNA世界化石，以揭示生命的RNA过去。

时间线：独立模型和观察的综合

时间线目的和目标

我们提出了一个合理的生命起源（OoL）时间线，将独立模型和观察整合和置于背景下，分为四个一般阶段：(i) RNA世界前期，(ii) RNA世界早期，(iii) RNA世界晚期，和(iv) 接近LUCA阶段。RNA世界前期和RNA世界早期之间的关键区别在于，后者阶段的过渡涉及将RNA建立为功能的中心分子。虽然RNA世界晚期是由从预先建立的RNA化学中起源和演化的最小翻译装置定义的，接近LUCA阶段涉及将生物劳动分工为编码蛋白质和DNA基因组，作为催化和信息存储的主要分子。在这个观点中，OoL的完成标志着典型的DNA ⇒ RNA ⇒ 蛋白质信息流模式的建立。

与其提供这样的事件的大致日期和地球物理热条件，所呈现的事件是基于它们的相对年代学组织成一个合理的时间线（表1）。这四个阶段被描绘（表1，第1列），并与这样的事件或事件组的大致顺序（表1，第2列）相结合，关于其他事件或事件组。当一组事件内的事件的确切年代顺序不确定，但支持这样的事件在类似的间隔内发生的一般概念时，我们已经添加了子顺序，但没有指示精确的年代学来区分这样的事件以供参考表格（表1，第3列）。潜在事件被指示（表1，第4列），并分组为与核苷酸相关（N）、与囊泡相关（V）、与翻译相关（T）和与蛋白质相关（P）的事件类型（表1，第5列），以便关注总体演化路径；例如，与翻译起源或原始细胞囊泡形成有关的项目。然而，新陈代谢并不是这个元叙事的重点。完整的OoL时间线，即前生物化学和第一个细胞之间的所有原子和分子事件的实际链条，延伸到原子分辨率，并必须解释LUCA的每个结构和功能。这样的分析超出了本演示的范围，我们提出的时间线因此是有用的，但不是详尽的。

结论

我们所呈现的分析和时间线有助于科学对生命起源（OoL）作为一种进化过程的理解。尽管这里提出的时间线缺乏与新陈代谢有关的事件，即ATP、糖酵解、克雷布斯循环、电子传递链等的起源，但它确实确定了无生物物质与第一个细胞之间的许多潜在和明确步骤。未来的生命起源时间线将从与RNA病毒和类病毒有关的进化事件的包括中受益，考虑到它们在古代RNA世界中的潜在作用。我们提出的大部分步骤与生物信息的流动有关，即分子生物学的中心教条。中心教条的关键原则，例如核糖体、遗传密码、聚合酶等，与生命起源基本相关。

生命起源是所有次起源的总和，从前生物化学到LUCA的形成。通过表征普遍保守的结构和功能，重点关注现代生活的RNA核心，以及尝试合成重构生命的最小RNA结构，可以帮助识别其中许多事件。调查生命起源不能被描述为“纯粹的废话思考”（达尔文引用于Peretó等人2009年）。生命是物质特定排列的结果，在没有一个单一点上，无生物物质转化为活性物质。正如这里所呈现的，几十年的生命起源研究已经表明，生命起源是一个涉及无生物物质与第一个细胞之间连续体的渐进式进化过程。现在已知沿着这一连续体的许多事件，例如生物圈必须在第一个编码蛋白质之前合并RNA，这支持了RNA世界假说毫无疑问。随着对RNA的结构和功能多样性的了解越来越多，现代生活和古代原始生活的RNA特性将继续得到阐明，为我们呈现的时间线提供了额外的支持。

文章来源：http://www.rnajournal.org/cgi/doi/10.1261/rna.079598.123.