为什么没有生物直接以 DNA 为模板来合成蛋白质?中间加一个 mRNA 有什么好处?

为什么没有生物直接以 DNA 为模板来合成蛋白质?中间加一个 mRNA 有什么好处?

傅渥成,统计物理 / 复杂系统 / 生物物理

中间经历 RNA 的步骤个人认为更可能是历史原因造成的(

RNA 世界學說

)。

我写一点我临时想到的,如果还想到了其他的再来继续补充。

总的来看,经历的步骤数目越少,效率自然会越高,但是可供调节的选择就变少了,某一个反应可能成为控制许多个生物反应过程的关键,这就增加了调控的难度(例如,对新生肽链的翻译后修饰的重要性提高)。

当然,如果全部用 DNA ,效率方面的优化如果真的会起到好得多的效果的话,那么还是有可能进化出全部由 DNA 来转录翻译的生物来的,可是仍然有很多问题,我所想到的一些主要可能存在的问题包括:

(A)最极端的情况,所有 RNA 进行的工作全靠 DNA (催化功能假如都由蛋白质)来完成:

  • DNA 的复制和被转录的过程中还常常用到 RNA 作为引物,引物与 DNA 序列的结合虽然同样涉及到互补配对,但是可以包容一定的错误(因为最后反正要切掉),因此复制和转录的准确率都比较高,如果没有 RNA 引物,而是 DNA 引物,那么就需要增加一种找到该从什么地方切断的酶,搜索功能往往是低效率的,而 DNA 的切断功能又增加了基因组产生插入缺失序列(Indel)的风险,这会在以后的复制过程中带来连锁反应式的越来越多的突变(Single-nucleotide mutation rate increases close to insertions/deletions in eukaryotes : Abstract : Nature);如果没有 DNA 引物,那么开头序列又很可能出错。在这样的情况下,RNA 总是必不可少的。

(B)假设核糖体进入细胞核,在 DNA 上直接翻译,可能出现的问题包括:

  • 核糖体的扩散系数与 mRNA 相比,因为粘滞阻力大大增加,扩散的效率也会降低。已经合成好的蛋白质从核内运输到核外(或者核糖体从核外运到核内)在核膜孔处都可能出现堵塞的情况。
  • 在 DNA 序列上也很可能出现核糖体的拥堵。其他回答者已经提到,DNA 解螺旋是很麻烦的,因此最好是类似于 mRNA 被翻译的时候那样,同时有多个核糖体来翻译,在核内 DNA 上,这种拥堵相比起 mRNA 上的拥堵(Modeling dynamics of Translation)是更严重的。

(C)假设使用先翻译成 DNA,然后再进行翻译,可能出现的问题包括:

  • 因为 DNA 实在是太稳定了,所以假设存在 mDNA,那么很可能它在运输过程中会折叠出复杂而且比 RNA 更稳定的三级结构,以至于在合成蛋白质的时候,还需要先解螺旋等等过程,这些都是需要酶的参加的。
  • =。=我先写到这好了……