生命起源过程中“标签介导的遗传信息复制和表达的出现及演化”的计算机模拟研究

The replication and expression of genetic information is the core event of life phenomenon. In modern living systems, the replication and expression of genetic information are usually controlled and adjusted by special short sequences (i.e., tags), e.g., the origin of replication and the recognition sites of transcription (promoters) on DNA, and the ribosomal binding site on mRNA, etc. Indeed, the tag-mediated replication and expression of genetic information is one of the crucial mechanisms that make the existence and prosperity of complex living systems possible. Then an interesting question is: when and how did the mechanism appear in the first place? Actually, the issue is related to the possibility of the initial primary living systems’ evolution toward complexity and efficiency (to date a lot of evidence supports that the primary living systems used RNA as their genetic material and functional material simultaneously, i.e., the idea of the “RNA world”). Based on the simulation platform concerning the evolution of molecules and protocells in the RNA world that we established previously, here we plan to construct evolutionary dynamic model and conduct computer simulation on “the emergence and evolution of tag-mediated replication and expression of genetic information ”, aiming at analyzing the dynamic mechanism and limiting conditions of this evolutionary process, providing clues for relevant experimental researches, promoting the scientific explorations of the origin of life and fundamental rules underlying the evolution of life toward complexity.

遗传信息复制和表达是生命现象的核心事件。在现代生命系统中，遗传信息的复制和表达几乎都是通过特异性短序列（即标签）来调控的，如DNA上的复制起点和转录识别点（启动子），以及mRNA上的核糖体结合位点等。可以说，这种标签介导的信息复制和表达是复杂生命系统赖以存在和繁盛的根本机制之一。那么令人感兴趣的是：这种机制最初是何时以及如何出现的呢？实际上，此问题关系到起初原始生命系统向复杂和高效进化的可能性（目前诸多证据支持这种原始生命系统是以RNA同时为遗传物质和功能物质的，即“RNA世界”的观点）。基于我们前期建立的有关“RNA世界”中分子和原始细胞演化的模拟平台，本项目拟构建演化动力学模型，进行“标签介导的遗传信息复制和表达的出现及演化”的计算机模拟研究，旨在探讨该机制产生的原因及其演化动力学机理和限制条件，为相关的实验研究提供线索，从而推进生命起源问题和生命向复杂性进化的基本机理问题的科学探索。

现代生命现象如此复杂，如此地不同于非生命世界，以至于人们很难设想其从非生命世界起源的情形。通常来说，人们将生命复杂性的形成归因于达尔文进化。但是，达尔文进化论是“泛意性”的，它并没有指出“复杂性形成”所基于的机制。标签机制（即利用特异性短序列）是现代生命活动普遍采用的控制机制，如DNA上的复制起点和转录识别点（启动子），以及mRNA上的核糖体结合位点等。这种机制使得生命活动在时间和空间上得以有序“展开”。从概念上来说，这种机制应该是生命复杂性得以形成所基于的一种根本机制。那么，从生命起源过程去追溯这种机制的最早利用显得十分有意义，将为生命复杂性在进化过程中的逐渐形成提供一种“源头性”阐释。本项目通过构建演化动力学模型，对标签机制在生命起源过程中的出现以及早期发展进行了计算机模拟研究。结果显示，标签机制可能很早就被利用——最早可以追溯到RNA世界中的第一种核酶, 即RNA复制酶。这种核酶通过标签去识别和其本身和它的互补链，催化它们的拷贝，从而完成其自身的复制。这种标签机制可以成为这种RNA“复制酶”抵抗寄生分子的重要策略。进一步，在别的功能核酶出现后，只要带有这种标签，都可以被RNA“复制酶”所识别，从而也能在系统中繁荣。换句话说，标签成为整个系统中 “需要”复制的RNA种类的一种标志。这些结果对我们认识复杂的生命现象如何形成十分重要。也就是说，生命现象，无论多么复杂，其实都基于一些根本机制（实际上，除了标签机制，空间分隔机制是另外一个显然的根本机制）——复杂性的形成无非是由于在进化过程中这些机制反复地、叠加地和在不同场合地应用。总的说来，本项目的研究为人们理解生命活动复杂性的缘起提供了一个具体的场景，为进一步研究生命最初的时空有序的复制和表达系统的演化动力学研究打下了基础，从而推进了生命起源问题和生命进化机理问题的科学探索。