现代分子生物学已有足够的证据表明RNA 和DNA 分子均可为生命(遗传)信息的“载体”,它们“混用”于所有的生命个体中,包括细菌、古细菌和真核生物的遗传信息建构(形成生命个体)和遗传信息在不同个体间传递(遗传)。
一、RNA 复制酶
1. 以RNA 作为模板的复制酶主要分两个大类,一类产物是RNA 分子链,一类是DNA分子链。其中依据RNA “生产”RNA的酶RdRp(RNA dependent RNA polymerase),既可以被认作是一种“基因组复制酶”,也可以被认定为“基因表达过程中的转录酶”。 RdRp 利用RNA正链复制或转录出负链RNA, 不整合入基因组,或以以病毒的形式在个体间传播(无效进化),或制造出ncRNA, siRNA, snoRNA等参与真核基因组的调节(表观遗传控制,被招安的结局,依据结构和序列,包括人在内的真核细胞内的RdRp更可能源于病毒),结构生物学表明,这些既复制又转录的RdRps 与已知的原核生物和真核生物DNA聚合酶一样,均有大同小异的“右手结构”,即“手掌”、“手指”和“拇指”等亚结构域。其中,催化中心位于“手掌心”,“拇指”负责酶与底物核酸链(RNA 或DNA )结合,“手指”则与核苷酸识别和与模板碱基配对。手指和拇指之间形成一个“口袋”,对于核苷酸与模板的配对至关重要。简言之,这只“右手”催化中心在RNA 和DNA 为模板的复制过程中必须“完整”。
值得注意的是,上述分布于RNA 病毒、真核生物细胞中的RdRp和原核生物和真核生物细胞内负责“基因转录”的RNA polymerases 的结构之间看不出明显的进化相关性。
2. 反转录酶(Reverse Transcripase,RT)
RT负责依据RNA 模板复制出其互补DNA分子链(cDNA),由于RT含有RNaseH(负责切掉RNA:DNA 杂交状态的双链分子中的RNA, 释放出cDNA)和整合酶,因此后续复制出的双链DNA 分子会整合进基因组,随基因组世代相传。
(反转录出的DNA互补链利用DNA聚合酶合成双链DNA,整合到基因组),如艾滋病病毒(HIV),原核和真核基因组普遍存在的一些转座子(transpons),特别是真核基因组染色体的端粒需要的端粒酶
显然,RNA和DNA均是遗传信息的携带分子,有对应的复制催化剂,酶
二、 DNA 聚合酶
能利用DNA为模板合成DNA 的复制酶可以依据氨基酸序列同源性和三维结构相似性分为7个家族:A、B、C、D、X、Y和RT。其中,A家族,复制和修复,Pol I和Polγ(线粒体基因复制);B家族,复制和修复真核生物和原核生物Pol II、Polα、Polδ和Polε;C家族,复制原核生物Pol III
;D家族,复制,古细菌,PolD;X家族,复制和修复,只见于真核生物,包括Polβ、Polμ和Polλ;
Y家族,复制和修复,见于真核生物和原核生物,如Pol IV、Pol V、Polη、Polκ和Polι;以及以RNA为模板的DNA聚合酶,RT复制和修复,参与真核细胞、病毒、逆转录病毒端粒酶和乙型肝炎病毒复制
以下是依据已发现的聚合酶家系催化中心结构特征及在细菌、病毒、细胞器(线粒体、叶绿体)、古细菌和真核生物所能发挥的催化活性类型的一种系统分类。表1是依据7个DNA 家族催化中心结构相似程度进行的分类,RNA 识别基序(RNA Recognition Motif, RRM)、“右手”的手心亚结构域(palm)和双psi-beta桶(Double psi beta barrel, DPBB)结构域三种结构单元被广泛用于RNA 和DNA 聚合酶的设计和组建。其中,RRM和Palm结构单元的普遍存在暗示起源和进化的“RNA-蛋白质世界”的可能性。
三、聚合酶的可能进化路线
1、不同生命形式
类似,依据结构相似性推演不同生命形式(细菌、线粒体和叶绿体细胞器、病毒和类病毒等,以及古细菌和真核细胞)之间DNA 聚合酶、RNA聚合酶(DNA 模板)、RdRp(RNA 模板)、末端转移酶、反转录酶(RNA 模板逆转录DNA)等可能出现顺序和相互关系。
2、可能进化路线
基于结构和序列相似性,生命世界各类聚合酶的起源和进化的一种可能性。
(这类研究过于基础,中国人极少有人从事这些研究,所以缺乏国内的同行,搞起来步履维艰)
To be continued
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