DNA复制的两大难题

你好，我是王立铭，欢迎来到生命科学50讲。

这节课，我会向你抛出自我复制的两大难题。这两个难题初看起来关系不大，但是非常有意思的是，一项重要的科学发现，竟然一举解决了这两个难题。

对这两个难题的思考和解决，把对自我复制问题的理解推进到了一个更高的层次，而且还对生命起源的问题多了一层新的理解。

先有DNA，还是先有蛋白质？

咱们先来看看第一个难题：在生命诞生之初，蛋白质和DNA这两种非常重要的物质，到底是谁先出现的呢？

上一讲我们说到，DNA是一种化学上很“懒惰”的分子，它光靠自己是不可能完成自我复制过程的。

它解开螺旋，完成碱基装配，形成新的螺旋，整个过程中肯定需要很多“帮手”，而它的“帮手”就是蛋白质。

这一点倒是不奇怪，因为蛋白质就是分子机器。具体来说，在自我复制的过程中，DNA需要很多种蛋白质的帮助，比如：

• 叫解旋酶的蛋白质，帮它解开双螺旋；
• 叫引物酶的蛋白质，在DNA链条上设置一个自我复制的起点；
• 叫DNA聚合酶的蛋白质，把单个碱基搬运过来，装配新的DNA链条。

可想而知，这整个过程是非常复杂的。

换句话说，一个生命体想要利用DNA作为遗传信息的载体，光有DNA是远远不够的，它还需要同时准备大量的蛋白质分子来完成DNA复制，两者都非常重要，而且需要相互配合。

但这样一来，就出现了我所说的自我复制的第一个难题：先有DNA，还是先有蛋白质？

这个问题细想想还挺麻烦的，有点像“先有鸡，还是先有蛋”的问题。鸡就是DNA分子，蛋是蛋白质分子。

如果假设先有鸡，也就是先有DNA，那么因为DNA分子化学上非常稳定，所以这只鸡什么事情都干不了，只能慢慢地在环境里降解。

反过来呢，如果假设先有蛋，也就是先有蛋白质分子，它可以做很多事。比如推动生物化学反应，或者像ATP合成酶那样制造能量货币。

但是我们也已经讨论过了，蛋白质具备非常精细的时空结构，如果没有DNA作为媒介，是很难被复制的。

所以，如果环境中只有蛋白质，那么这些蛋白质分子只能执行一段时间的功能，之后很快会降解消失，没办法留下后代。

看来，不管先有鸡还是先有蛋，生命现象可能都不能长期存在，不能稳定地繁殖后代。

那么，它们俩有没有可能同时出现呢？如果可能，那在概率上就有些不可思议了。

因为，我们要求的不光是在同样的地点，同时出现DNA和蛋白质，还需要两者之间存在非常精细的巧合——也就是DNA分子的碱基序列，需要和蛋白质分子的氨基酸序列存在三对一的精确对应。

因为只有这样，DNA分子才能完整记录蛋白质的信息，帮助蛋白质自我复制，这样的巧合实在难以想象。

先有鸡不行，先有蛋也不行，同时出现也几乎不可能，这就是DNA自我复制的第一个难题。

为什么需要“第三者”RNA？

那么，这个难题是怎么被解决的呢，我得先吊吊你的胃口。

现在呢，我们把关注点转移一下，先放下DNA，来关注一下RNA。RNA引出了自我复制的另一个难题，我给它取名叫“第三者”问题。

这个第三者呢，就是核糖核酸，英文缩写是RNA。这个名字你肯定知道，它和DNA的生物学功能也很相似，都能记录遗传信息，而且，它们俩在化学结构上也非常相似。

和DNA相比，RNA的功能有什么不一样吗？简单来说，RNA像个中介。

我们说过，DNA上存储了指导蛋白质生产的信息。但是在指导蛋白质生产的时候，DNA密码本的信息会先抄写到RNA分子上，然后RNA分子再去直接指导蛋白质的装配。

所以对于每一个被生产出来的蛋白质，都会存在一个独特的RNA中介。每个人体内都会产生成千上万种RNA分子，它们主要的角色，就是DNA和蛋白质之间的桥梁。

这么说，你是否觉得RNA的存在有点奇怪，有点多余？RNA就像是DNA与蛋白质二元化结构中，多余的第三者。

为什么DNA不直接指导蛋白质的装配，而是要借助RNA把遗传信息转一道手呢？地球生命为什么选择了这种更复杂、更浪费、也更容易出错的办法呢？

不知道你在中学的生物课上，有没有想过这个问题。在真实的科学史上，有很多人被这个问题所困扰。

说到这里，我就提出了关于自我复制的两个难题：

• 第一个难题是先有鸡，还是先有蛋？DNA和蛋白质谁先出现，怎么配合？
• 第二个难题是，RNA这个多余的第三者为啥会出现？DNA直接指导蛋白质生产不行么？

这两个问题看起来风马牛不相及。但是科学探索的奇妙就在这里。

为了回答第二个问题，一位美国科学家居然顺手也解决了第一个问题，这位生物科学家就是汤姆·切赫（Thomas Robert Cech）。

他关注的科学问题和RNA有关，更具体地说是RNA剪接。这是什么呢？

简单来说，作为DNA和蛋白质的中介，RNA很多时候并不能直接上流水线指导蛋白质生产，而需要经历一系列的化学修饰。

其中有一项重要的修饰，就是RNA分子长链中有些多余的、无用的部分会被剪掉，只留下那些能直接对应，直接指导氨基酸组装的部分。这个过程被很形象地叫做RNA剪接——就是把多余的部分剪下来，再接上的意思。

在1980年代，切赫到科罗拉多大学建立实验室，他关心的问题就是这个剪接过程到底是怎么发生的。

当时，切赫自然地认为，剪接肯定是由一个或者几个蛋白质分子干的。因为大家默认生物体内所有的生物化学反应，都是蛋白质分子机器推动的。

但是，切赫的研究结果却让大家大吃一惊。

他发现，剪接RNA的不是蛋白质，而是RNA自己。换句话说，RNA分子除了能从DNA那里抄写遗传信息，还能像蛋白质一样推动生物化学反应。

顺着这个思路再推进一点，切赫发现的其实是一个不是鸡也不是蛋，却既像鸡又像蛋的东西，切赫给这个新物质命名为“核酶”。

也就是说，核酶既是核糖核酸RNA，能记录遗传信息，同时又很像一个蛋白质酶，能切割和拼接自己。

核酶能内部折叠配对，并能在特定位置实现自我剪切

这个发现本身解决的当然是个具体的生物学问题，也就是RNA剪接如何发生，但是这在逻辑上太重要了。因为这个既像鸡又像蛋的东西，首先就解决了“先有鸡，还是先有蛋”这个很挠头的问题。

你可以想象，在地球生命起源的早期，有可能就是这种RNA分子，独立承担了今天分别属于DNA和蛋白质的功能：既能实现信息的存储和复制，又能催化各种各样的生物化学反应。

这样，我们就不需要假设在生命起源的早期，DNA和蛋白质一定要同时出现，而且必须完美配合的问题了。由此，生命起源在概率上变得更容易了。

同时，我们还可以想象，在生命起源之后，伴随着生物演化，地球生命越来越精巧和复杂，RNA承担的两个职责分别被转移出去了：

• 承载遗传信息的职责，转移给了更稳定、更精确的DNA；
• 推动生物化学反应的职责，转移给了更强大、高效的蛋白质。

这样一来，RNA就彻底退居二线，只在DNA和蛋白质二者间作为桥梁存在，有点像生物演化留下来的遗迹，比如人的阑尾和男人的乳房。

这刚好又回答了第二个难题，也就是为什么在今天的地球生命里，RNA这个“第三者”存在的原因。

两个难题居然就这样被一举解决了。

正因为这个发现如此重要，几年之后，切赫就获得了诺贝尔化学奖。

下一讲，我会更深入地告诉你切赫到底是怎么发现核酶的，这是一段非常精彩的科学故事。

我们下一讲见。

DNA复制难题

在生命起源的早期，有一个先有“鸡”还是先有“蛋”的难题。到底是先有DNA，还是先有蛋白质呢？没想到解决这个难题的是既像“鸡”又像“蛋”的RNA。