2018年10月31日 星期三

RNA世界假說(RNA World Hypothesis) 10-31-2018



RNA世界假說(RNA World Hypothesis)



核糖核酸(RNA);去氧核醣核酸(DNA)均是屬於核酸(nucleic acids)的巨分子,是由一個一個核苷酸(nucleotides)以磷酸雙脂鍵聚合而成。
此點請網友複習起來,否則看此篇BLOG可能會有一些頭昏!



一、RNA世界假說的源起

1.  1960年代已經有科學家提出,核糖核酸(Ribonucleic Acid, RNA)是演化上最早出現,具有生命特徵巨分子的想法。

2.  這意念是由發現DNA雙股螺旋的克立克(Francis Crick)Leslie Orgel 以及Carl Woese,三位非常優秀的科學家,根據搬運RNA(transfer RNA, tRNA)結構的啟發所衍生。

3.  Carl Woese在所著《遺傳密碼》(The Genetic Code)一書中也有提及。但是當時沒有任何人,相信RNA能扮演酵素,司化學反應的催化作用,所以這先進的看法,在當時沒有得到任何的重視!


01. RNA世界假說,是由1980年諾貝爾化學獎得主Walter Gilbert1986年提出。因為那時已經具備RNA擁有生命巨分子的兩種基本功能的概念:

a. 遺傳訊息儲存功能(DNA的功能)

b. 催化反應(蛋白質酵素的功能)




What Is the RNA World Hypothesis?  (甚麼是RNA世界假說?)




4.  核糖核酸(RNA)的次單位核苷酸,是從無生命物質中形成,經過無數次的組裝嘗試錯誤後,具有生物活性的RNA終於誕生執行各種現今是由RNADNA和蛋白質共同負責的功能。

5.  RNA世界中,成員僅有RNA分子,因此,RNA必須具備:

a.  自我催化(Self-catalysis)

b.  自我組裝(Self-assembly)

c.  自我複製(Self-replication)

的能力,才能在早期孕育生命的濃湯中完成催化組裝複製自我的反應。



The RNA Origin of Life   (生命是從RNA源起)
309秒的短片,用清晰幽默的卡通述說生命如何由RNA源起最適當。


6.  Czech在第一類能自我剪接的插入子(Intron group I)Atman在核糖核酸酶(RNase),分別發現RNA具有催化功能,而提出

  核酶(Ribozymes)的概念,也因此獲得1989年諾貝爾化學獎


7.  因為Czech Atman的傑出貢獻,啟迪了另一位諾貝爾化學獎得主沃特·吉爾博特(Walter Gilbert),於是19862Nature期刊上的論文中,提出「生命的起源: RNA 世界」這樣的觀念

02. CzechAltman因為發現核酶(Ribozymes),而得到1989年諾貝爾化學獎。




Origin of life: The RNA world
Nature volume 319, page 618 (20 February 1986)

1986220Walter Gilbert獨自一人發表在〈Nature〉期刊上之論文標題。


03. 真核細胞DNA上之基因轉錄(transcription)後產生異質核RNA(hnRNA)hnRNA中的插入子移除(Intron removal),有兩種方式:

a.   以小細胞核核糖核蛋白(snRNPs, U1U2U4U5 & U6)組成之剪接體(Spliceosomes)移除。

b.   以核酶(Ribozymes)催化之自我剪接移除 。




二、RNA世界假說的證據

1.  在一些酶(enzyme)及輔酶(coenzyme)中,發現保存著RNA的核苷酸。分子生物學家認為,這些酶或輔酶中的RNA核苷酸是「分子化石」,是在DNA、蛋白質尚未出現之前,RNA世界留下的遺跡。

2.  試舉兩例:

a.  乙醯輔酶A(Acetyl CoA)


   04.  乙醯輔酶A(Acetyl CoA)是由磷酸化的腺嘌玲核苷雙磷酸

(Phosphorylate ADP)、泛酸(pantothenic acid)乙醯基

(Acetyl group)組成。

          乙醯輔酶A的結構中,具有幫助酶催化的部分,是在圖左的硫酯

          (thioester),可是在圖右,沒有明顯的理由保留著,RNA的核苷

          酸。

         專家認為那是RNA世界的遺跡。




b.  維生素B12(=鈷維生素)


05. 維生素B12(=鈷維生素)(Cyanocobalamin),具有幫助催化作用的是最上方的CORRIN RING部分,結構中一樣沒有明顯理由的,保留具有腺嘌玲核苷單磷酸的部分(最下方)

一樣認為是RNA世界的遺跡。


3.  形成DNA的核苷酸是由RNA的核苷酸還原而來,為何合成DNA不直接取用DNA的次單位—去氧核醣核苷酸?很可能因為演化上是先有RNA然後才形成DNA,所以才會如此。


06. 核糖核苷酸還原酶(RNR)有三種(Class I II III)

RNR在演化上很重要,使RNA的世界轉變為DNA的世界。

RNR催化C2’-OH還原為C2’-H的反應。


4.  有些病毒的遺傳物質只有RNA,所謂的RNA病毒。這也是支持RNA是地球上最早形成生命分子的證明。

5.  最重要的證據是來自核醣體(Ribosome)的結構:

真核細胞核醣體的小次單位30S,是由16SRNA(1,542核苷酸聚合形成)以及21種蛋白質共同組成。

真核細胞核醣體的大次單位50S,是由23SRNA(2,904核苷酸聚合形成)5SRNA(120核苷酸聚合形成)以及31種蛋白質所組成。

雖然核醣體是由rRNA以及蛋白質共同組成,但是真正催化新的蛋白質合成的核醣體部分(working part),全部是由rRNA組成。這說明在演化初期只有RNA存在的時候,光是RNA不須要蛋白質,就能夠催化新的蛋白質產生。


07. 英國頂尖的科學綜合期刊〈自然〉20131223日封面文章,刊登哺乳動物粒線體39S次單位的立體構造。

淺藍色部分是由核醣體RNA(rRNA)組成,土黃色部分是由蛋白質組成。

具有催化功能的部分(Working part)=淺藍色部分,幾乎全是rRNA

(Cover page of Nature (left) and 4.9 Å cryo-EM map of the mammalian 39S mitoribosomal subunit)



2018年10月29日 星期一

真核細胞隔間化(Eukaryotic Cell Compartmentation) 10-30-2018



真核細胞隔間化(Eukaryotic Cell Compartmentation)



真核細胞(Eukaryotic Cell)內,擁有一個個分別具有不同用途的工具箱(=胞器),來協助真核細胞完成特定的生理功能。
真核細胞基因表現的分泌型蛋白質,都會進入內質網(ER)進行初級糖化,再送到高基氏體進行次級糖化。最後,如果這個蛋白質不需要糖分子,在分泌前會將糖分子切除。



1.  溶酶體(Lysosome)的功能—水解各種物質(老舊的胞器、胞吞的異物、侵犯細胞之細菌…)

內質網(Endoplasmic Reticulum, ER)的功能—合成蛋白質、初級糖化新合成的蛋白質…(詳細的功能請見06.)

高基氏體(Golgi complex)的功能—形成溶酶體、次級糖化新合成的蛋白質(包裝Packaging)、將不同的糖蛋白分配(sorting)到不同的胞器或形成分泌小泡,分泌到細胞外…

2.  為何由細胞核基因表現的分泌型蛋白質必須糖化(Glycosylation)

a.   產生正常的摺疊(三級構造),形成有功能的醣蛋白

    (Folding)

b.  維持蛋白質穩定,延長半衰期的時間(Stability)

c.   與其它巨分子做正確的認知(Recognition)


01. 經由內質網初級糖化以及高基氏體次級糖化的醣蛋白,才能摺疊成有功能的三級構造、延長存活的時間、與其它巨分子作正確的認知。

圖左上方不同顏色、不同形狀的構造,代表不同種類的單糖。





02. 初級糖化在由粗糙內質網(Rough Endoplasmic Reticulum, RER)發生。





03. 次級糖化在高基氏體中進行。每個不同的糖化步驟,由不同的酵素催化。




3.  為何各種的胞器,分別扮演不同的角色?因為真核細胞用性質各異的膜,將一些功能相同的酵素,包裹集中於特殊的膜狀胞器內,然後在胞器中行使特殊的功能,這也就是隔間化(compartmentation)的目的。

4.  由分泌型蛋白質糖化的例子,網友們該可以感覺到真核細胞的複雜性(complexity)。而且複習到分泌型蛋白質上醣分子的重要性。

5.  真核細胞由細胞核DNA上基因,表現之前驅蛋白,最後能準確無誤的「宅配」到正確的胞器中,各司其職。形成所謂隔間化的蛋白質(Compartmentalized proteins),這應該是真核細胞能演化成功的重要關鍵!

6.  再舉一例:葡萄糖代謝過程中,乙醯輔酶A的形成(Acetyl CoA formation)的酵素;克式循環(Krebs cycle)的酵素;氧化磷酸化(Oxidative Phosphorylation)的酵素,絕大部分都是細胞核內的基因所表現,都能準確無誤的「宅配」到粒線體中,不只送抵粒線體,還送到粒線體的正確位置。這是多麼不可思議的事情,而真核細胞就是辦到了!


04. 代謝葡萄糖的過程:乙醯輔酶A的形成;克式循環的酵素是在粒腺體的基質(Matrix);氧化磷酸化的電子傳遞鏈以及ATP合成酶是在粒腺體的內膜嵴(Crista)上。每一個相關的酵素或是酵素的次單位,都能精確無誤的送到正確的位置。





05. 真核細胞隔間化(Cellular Compartmentation)—真核細胞精緻又井然有序的,形成細胞膜(plasma membrane)、細胞核(nucleus)、內質網(endoplasmic reticulum)、高基式體(golgi complex)、溶酶(=)(lysosome)、過氧化氫小體(peroxisome)各式各樣的膜狀胞器的過程,稱為細胞隔間化。

自從電子顯微鏡問世後,細胞學家觀察到這樣的事實,但至今仍然不知是用甚麼樣的機轉辦到?

此圖是以動物細胞為例。





06. 真核細胞隔間化後各種膜性胞器之功能。

細胞核
DNA的複製、RNA的合成(=DNA轉錄)
粒線體
丙酮酸的氧化去化、檸檬酸循環(Citric Acid Cycle)RCh、脂肪酸的β-氧化、KB/尿素/血色質/麩胺酸醯胺的合成、天門冬胺酸轉氨酶(AST)反應=SGOT反應
粗糙內質網
其上覆著的核醣體,進行蛋白質合成(訊息RNA的轉譯)
平滑內質網
三酸甘油脂/膽固醇的合成、脂肪的去飽和化、多源性化學物質的水解
溶酶()
非特異性的水解各種物質
細胞膜
分子/離子/訊息分子訊息的運輸(訊息經由運輸蛋白/通道/接受器來傳送)
高基氏體
蛋白質的次級糖化、包裝分配各種醣蛋白
過氧化氫小體
形成及分解過氧化氫(H2O2)及過氧化物
細胞質液
糖解、糖質新生、儲存肝糖、五碳糖循環、轉胺基化、脂肪酸/尿素/尿酸/血色質合成、乙醇(=酒精)氧化


7.  真核細胞演化的趨勢,越來越複雜化(Complexity)

原核細胞演化的趨勢,越來越單純化(Simplicity)



Prokaryotic Vs. Eukaryotic Cells  (原核細胞與真核細胞之比較)
Prokaryote意思before nucleus (細胞核之前)
Eukaryote的意思true nucleus (真的細胞核)





2018年10月28日 星期日

最接近真核細胞之原核細胞—洛基古菌(Lokiarchaeota) 10-28-2018



最接近真核細胞之原核細胞—洛基古菌(Lokiarchaeota)

1.  古生物學家估計大約20億年前,真核細胞出現在地球上,但是真核細胞到底是由何種原核細胞演化而來?大家一直疑惑不清!

2.  2015年發現洛基古菌(Lokiarchaeota)!洛基古菌基因組(genome)中的基因,是原核細胞中目前最接近真核細胞的:

a.   細胞骨架(Cytoskeleton)的基因 (5對肌動蛋白(Actins)的基因)  

b.   細胞膜重塑(Membrane remodeling)的基因

c.   修飾泛素(Ubiquitin)的基因

d.   胞吞或胞噬作用(Endocytosis and/or phagocytosis)的基因

e.   許多對GTPase的基因

   都與真核細胞的基因相似。


01.  2015年,於格陵蘭與挪威之間,大西洋中洋嵴,海深2,352公尺的深海熱泉—洛基城堡(Loki Castle)15公里,發現的洛基古菌(Lokiarchaeota),被認為是目前最接近真核細胞之原核細胞。

(Lokiarchaeota are the closest known prokaryotic relatives of eukaryotes.)



02.  洛基古菌的基因與真核細胞的基因,有著驚人的相似性,表示牠們很可能具有相同的祖先。

(The Lokiarchaea are surprisingly similar to modern eukaryotes, suggesting they share a relatively recent common ancestor.)



03.  2015年,在它附近15公里處,發現洛基古菌的洛基城堡(Loki Castle),是一處深海熱泉生態系(Hydrothermal Vent Ecosystem)




Loki's Castle - Black-smoker (洛基城堡—黑煙囪=深海熱泉生態系)
30秒的短片,拍攝海深2,352公尺洛基城堡黑煙囪的實景。




3.  瑞典烏普薩拉大學(Uppsala University) Thijs Ettema領導的研究小組表示,在格陵蘭和挪威間的大西洋深海,2015年發現的微生物洛基古菌(Lokiarchaeota),應該就是原核細胞演化為真核細胞的關鍵

4.  對原核細胞演化的軌跡,古生物學家只能從 DNA 序列的比對來推敲,因為這些,必須以顯微鏡才能觀察得到的單細胞微生物,沒有任何堅硬的構造,很難沉積成化石讓古生物學家檢驗。

5.  而生命的演化來自海洋,所以古生物學家們認為,或許還有一些,存活於深海中的古老微生物,以數億年完全沒有改變的古老方式,(也就是基因組中的基因,沒有任何變化的狀態),依然存活著。

6.  基於這樣的考量,在深海探勘的技術足夠進步之後,許多的古生物學家,一直熱衷於研究深海微生物這塊領域。

7.  2015年找到的洛基古菌(Lokiarchaeota),發現的團隊認為是,原核細胞與真核細胞之間的橋梁。


04. 洛基古菌(Lokiarchaeota),有可能是原核細胞(Prokaryotic cells)與真核細胞(Eukaryotic cell)間之橋梁。
此圖洛基古菌用色比較淡,而且打上?因為還是有專家對牠的存在存疑。


或是洛基古菌,是否是原核細胞與真核細胞間之橋梁,這樣的說法存疑。



05. 細胞學以及分子生物學方面,比較細菌(Bacteria)、古菌(Archaea)以及真核生物(Eukarya)之異同。




表一、細胞學以及分子生物學方面,細菌、古菌以及真核細胞之異同。

         
      
       
       
       
            
           
單條環狀
單條環狀
多條直線狀
     
類似組織蛋白
細胞分裂方式    
二分裂
二分裂
有絲分裂/減數分裂
核醣體之大小
70S
70S
80S
細胞隔間化
細胞壁
胜肽聚醣
非胜肽聚醣
植物纖維素
真菌幾丁質(chitin)
基因有無插入子
有些具有
RNA聚合酶
1
數種
3
結構基因之啟動者
-35
-10序列
TATA box
TATA box
蛋白質合成之啟始胺基酸
醛基甲硫胺酸
甲硫胺酸
甲硫胺酸
演化出現的時間
最早
其次
最晚



8.   不管是05.表一、網友們不用在乎看明白多少,只要大家能感覺得到,古菌與真核生物的親緣關係較密切就好。


06. 古菌雖然稱為古老細菌(ARCHAEA),但在演化上比真的細菌(BACTERIA)較晚出現。

EUKARYOTES真核生物的種類

SINGLE-CELLED EUKARYOTES單細胞真核生物

ALGAE藻類

FUNGI真菌

PLANTS植物

ANIALS動物



參考資料:

Anja Spang et al.

Complex archaea that bridge the gap between prokaryotes and eukaryotes.

Nature, published online May 06, 2015; doi: 10.1038/nature14447



9.  就好像天文學家,沒有人願意去碰觸,大霹靂之前的宇宙是甚麼樣子?這一類的問題。生物學家也一樣沒有人知道,為何細胞體積約只有真核細胞1/1,000的原核細胞,突然體積增大了一千倍?還不只體積增大一千倍,細胞裡面增加許多的胞器(organelles),而且這些胞器非常精緻而井然有序的排列著,所謂細胞的隔間化(Cellular Compartmentation)!既使到今天,我們對這些事實只能說:知其然,而不知其所以然?

10. 更別問:蛋白質在地球早期那鍋濃湯中,是怎麼產生的?

    DNARNA又是由何而來?基因呢?



基因是從哪來的?卡爾季默
 (Where do genes come from? - Carl Zimmer)
423秒之TED短片,以卡通圖的方式表達,新的基因從何而來?
主要是來自既有的DNA、基因發生突變。但是最原始的基因、DNA又是怎麼來的呢?

需要的網友,請直接上YOUTUBE網站點閱,因為有中文(台灣)的翻譯。





11. 篤信宗教的網友可能將這些問題?歸諸於佛祖、上帝或阿拉。信科學的網友可能將其歸諸於演化。反正,目前這些問題還沒有人知道!為何突然跟網友提及這些事情?因為個人覺得,只因發現洛基古菌的某些基因與真核細胞相似,而不考慮其它的問題,就表示發現原核真核細胞間之橋梁,這樣是不是會有點太小題大作呢!


07. 細胞隔間化(Cellular Compartmentation)—真核細胞精緻又井然有序的,區分成細胞膜(plasma membrane)、細胞核(nucleus)、內質網(endoplasmic reticulum)、高基式體(golgi complex)、溶酶(=)(lysosome)、過氧化氫小體(peroxisome)各式各樣的膜狀胞器的過程,稱為細胞隔間化。自從電子顯微鏡問世後,細胞學家觀察到這種現象,但至今不知原因為何?





關於我自己

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我曾任教於陽明大學,是一名教生命科學教了快三十年的老師,許多內容,班班相同,年年流轉,教了快三十年早已深植腦海中。約8年前因病退出教壇後,發現有些生命科學的事已開始逐漸慢慢淡忘了,不由得想起麥克阿瑟將軍(General MacArthur)的名言“Old soldier never die, they just fade away.”目前唯一沒變的是對生命科學的喜好與熱誠,有靈感時塗塗鴉一些心得和網友們分享 這是Blogger的緣起。

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