在第一批细胞出现之前，是否存在一种整合了遗传信息、蛋白质翻译和分子机制的“生命”形式?这样的实体是否还会以“活化石”的形式存在于我们的细胞中呢?

几年前，生态学家和进化生物学家梅雷迪思·鲁特-伯恩斯坦，当时在牛津大学做博士后研究，向她的父亲罗伯特·鲁特-伯恩斯坦建议，这些问题的答案可能是核糖体。罗伯特·鲁特-伯恩斯坦是一位生理学家，也在密歇根州立大学研究生命起源问题。

罗伯特对此很感兴趣，但提出核糖体可能会“自私地”自我复制的说法，一开始似乎存在巨大的困难。核糖体由两种化学成分组成。一种是形成核糖体结构“骨架”的三组核糖体RNA序列(rrna)。核糖体的“肉体”由一组大约50个蛋白质组成，这些蛋白质在rRNA支架上自我组织。然后，充实的核糖体能够结合编码蛋白质序列的信使rna (mrna);转移rna (trna)，携带制造蛋白质序列所需的氨基酸;并催化由trna携带的氨基酸合成mrna编码的蛋白质。在现代生物体中，所有这些功能都是由染色体基因完成的。

图片概述了自我复制核糖体理论的主要信息编码特征。左:rRNA(中间，粗灰线)编码tRNA和mRNA，也可以转录成一个互补的rRNA序列(crRNA，白线)，也编码tRNA和mRNA。mRNA(以及原始rRNA)编码各种蛋白质模块，包括各种核糖体蛋白、tRNA合成酶和酶活性位点。它所编码的rRNA、trna、mrna和蛋白质为核糖体自我复制提供了必要的关键元素。右图概述了图2中描述的组件如何相互作用以创建能够执行翻译和简单代谢控制的功能性核糖体。rRNA(中间粗灰色圆圈)折叠成适合结合核糖体结合蛋白(rb-蛋白)的构象。这些rb蛋白不仅提供核糖体功能，如协助trna的结合，而且还通过结合其rRNA结合位点同源的mRNA序列来自调节其自身的产生。其中一些蛋白质还具有额外的代谢功能，例如将氨基酸连接到相应的trna上以产生氨基酰基trna，核糖体利用这些氨基酸合成肽或蛋白质。其结果是一个自动调节的核糖体定向复制，转录和翻译系统，编码核糖体复制自身所需的所有成分。

因此，想象一个自我复制的核糖体就是想象rRNA编码以下“基因”:1)rRNA支架本身，2)编码50个左右核糖体蛋白质所需的mRNA, 3)“读取”mRNA所需的trna，以及4)将氨基酸放在trna上为蛋白质合成做准备所需的蛋白质酶。由于目前的教条是rRNA不编码任何基因，更不用说一套完整的trna了，这个建议需要一个巨大的想象力飞跃。

此外，为了自私地自我复制，核糖体必须产生一个自我调节的代谢网络。由于编码rRNA结合蛋白(rb蛋白)的mRNA的来源是rRNA本身，因此rb蛋白也应该与编码它们的mRNA结合，从而调节它们自己的产生(这一过程称为“自体控制”)。同样的，因为rRNA必须产生mrna来编码蛋白质，这些蛋白质通过酶的方式将氨基酸添加到tRNA (tRNA合成酶)中，这些tRNA结合蛋白也必须结合到它们自己的mrna(和rRNA)上。

这一切听起来太不可能是真的，但它是真的!鲁特-伯恩斯坦夫妇在《科学》杂志上发表的两篇论文中，为所有这些不太可能的预测提供了证据理论生物学杂志．令人惊讶的是，他们的一些关键数据已经在文献中存在了几十年，而其中的含义却没有被理解。有几个研究小组注意到rRNA似乎是由一系列连接的tRNA序列组成的，但没有考虑到rRNA可能曾经是由一系列连接的tRNA序列组成的编码图示。rRNA或其互补序列编码活性蛋白质的实例在现代生物体中仍然存在。实验证据也表明，几乎所有rb蛋白和许多tRNA合成酶通过结合自身mrna来控制自身代谢。

把这些数据放在一起，就可以很好地证明核糖体曾经是自我复制的“有机体”。如果这是真的，那么也许细胞和它们的染色体进化是为了优化核糖体的功能，而不是相反。

罗伯特Root-Bernstein¹和梅瑞迪斯Root-Bernstein^2
1美国密歇根州立大学生理学系，东兰辛，密歇根州
²丹麦奥胡斯大学生物科学系

出版

核糖体作为益生元进化中的缺失环节II:核糖体编码核糖体蛋白，结合自身mrna和rrna的共同区域。
Root-Bernstein R, Root-Bernstein M
《理论生物学》2016年5月21日

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