細胞核有什麼作用?你一定想不到,竟是最早的「喪屍圍牆」

2020-12-05 酋知魚

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

本篇要說的,是一個二十億年前,真核細胞的祖先如何依靠「圍牆」打贏「第一次喪屍危機」的故事。

真核細胞的象徵

初中生物就學過細胞的結構,動物細胞結構主要有細胞核、細胞質、細胞器、細胞膜。由這些結構組成的細胞是真核細胞,之所以叫這個名字正如字面上的意思——這些細胞都有細胞核

真核細胞的出現於大約15~20億年之前,它們是進化史中最重要的一步,因為突破了細菌的體積限制,它們可以長得非常大,平均來說是細菌的1萬~10萬倍,擁有了充裕的空間之後,細胞才得以大展身手,進化出複雜的細胞器和功能,而高度複雜的功能使協作成為可能,多細胞生物的出現也依賴於此;世界上所有的複雜生命都是由真核細胞組成的,人類當然也不例外,這是生命第一次躍升的基礎。

當我第一次知道真核細胞的出現源於一次偶然——一枚古菌吞下了一枚細菌之時,我想當然地認為那枚細菌是細胞核。但是隨後我就了解到,其實被吞的可憐細菌是線粒體,當然後來還吞下了一些可以光合作用的藍細菌,也就是葉綠體的原型。

不過這與細胞核都沒有關係,細胞核是一個特殊結構,它既非繼承自古菌也非繼承自細菌,完全是真核細胞出現後才進化出的,也就是說它有必須存在的意義,那麼這個意義到底是什麼呢?

細胞核之迷

這個難題目前還有一定的爭議性,但是有一種猜想的可能性較高,我們似乎可以從其中窺探到可怕的、真核生命最初的「喪屍危機」

首先讓我們來認識一下細胞核——我們都知道這是一個包裹著DNA的球形結構。細胞核的外層並不是一個完全獨立的結構,本質上來說它是內質網的一部分,多數細胞核還保持著與內質網的連接。也就是說細胞核在進化上是來源於內質網的變形,它的表面存在著數量很多的核孔方便與細胞質進行物質交換,也就是將信使RNA釋放到細胞質中合成蛋白質。

細菌不僅沒有細胞核,就連DNA也與真核生物的不同,細菌的DNA通常是環狀的。但是真核生物則不同,正如我們所知人類有24對染色體,DNA都是斷成一節一節的。

更有意思的是我們自認為理應更高級的真核細胞DNA其實利用率非常低,細菌的DNA非常精煉,沒有多餘無用的信息,幾乎每個基因都有實際用處;但真核細胞則顯得非常怪異,絕大多數都是從來不會表達的DNA,這在初中生物中也有學過,叫「內含子」,人類的DNA長鏈中高達98.5%都是「內含子」

人類常常驚嘆於生命的精緻與優雅,自然總是會在一些精妙的地方表現出實用與美感的完美結合,所以早期生物學家雖然不知道內含子是幹什麼用的,但是他們相信這一定有不為我們所知的特別用處,可能其中就藏著我們勝過細菌的關鍵。當年我們的生物老師是這樣說的——這些多餘的DNA是用來緩衝突變的,因為多數突變是有害的,如果發生在外顯子中對生物生存就會很不利,所以需要大量的內含子來緩衝。

當年的我雖然小,但是卻對這種說法感到奇怪——突變是概率事件,無論塞多少無用的基因進去也不可能減少有用基因的突變,每兩個鹼基之間的突變是不會相互影響的。

事實證明,當年的我雖然沒有站起來大聲質疑老師,但確實猜對了,內含子並不是用來應對突變的,事實上它們一開始的出現根本不是進化所需(但現在確實有用),而是一次可怕的「喪屍圍城」,肆虐在我們基因組中的「喪屍基因」瘋狂地複製著自己,而它們就是內含子的來源了

瘋狂複製

生命史上的第一次喪屍危機

這裡所說的「喪屍基因」倒不是說它會讓生物體變在喪屍,而是說它們有一種非常糟糕的、類似喪屍的特徵——無限增殖

這個基因的出現很可能是一個偶然,而且它也沒有什麼如你們想像中的特別能耐,說起來甚至有一點好笑,只是因為它可以「剪自己」而已

DNA的工作第一步當然是轉錄成RNA,但是「喪屍基因」轉錄出的RNA卻不一樣,它不會像其他RNA一樣老實地去翻譯蛋白質,而是會自發地摺疊成一個形狀,這種變成後的RNA具備了一種特殊的化學活性,它可以把自己的母親,也就是「喪屍基因」從DNA鏈條上剪下來。剪下來的「喪屍基因」會與細胞中游離的鹼基配對,複製自己,然後再偷偷地整合到其它DNA鏈條上。

DNA複製

這樣一來,不需要多久,DNA鏈條上就會到處都是「喪屍基因」,這些基因什麼活也不幹,只是不斷地增殖增殖,將整個基因組搞的烏煙瘴氣。我們真核生物的基因之所以是一段一段的,就是拜「喪屍基因」所賜,給剪斷了導致的。人類基因組裡有一半都是「喪屍基因」或者它們突變失去功能的「遺體」,平均每個基因中都有三個「喪屍基因」,有死有活

借刀殺人之計

當然,真核細胞也不可能毫無對策,對付「喪屍基因」的最好方法就是以毒攻毒。細胞中出現了一種特殊的蛋白質,可以將「喪屍基因」產生的「RNA剪刀」包裹起來為我所用,在每次轉錄後都將那些不需要的基因產生的RNA片斷剪下來丟掉。

但是這裡存在一個問題——這把剪刀似乎不夠鋒利,它在剪RNA時所消耗的時間不短,但是核糖體翻譯RNA的速度卻特別快。如果它們都是混在一起的話,還沒等「RNA剪刀」去除多餘的部分,有問題的RNA就已經被翻譯成有問題的蛋白質了!

這也就是細菌對於「喪屍基因」零容忍的原因了,這東西一但出現在細菌體內就一定會完蛋,幾乎所有的細菌都沒有被「喪屍基因」感染。

畫地為牢之法

真核細胞呢?這可能就是細胞核存在的原因:一個十分簡單粗暴的方法解決問題——把核糖體與問題RNA分開

這樣就有充足的時間減掉問題RNA上的錯誤部分了,修整好的RNA穿過核孔再與核糖體相遇,就能正常工作了。

這樣,真核細胞通過「借刀殺人」與「畫地為牢」,成功解決了第一次「基因喪屍危機」

大難不死必有後福

危機解決後我們甚至還有一些意外收穫,不再為害的內含子給真核生物帶來了兩個好處:

其一是無用基因在被剪刀開時偶爾也可以部分參與蛋白質的合成,這就像是一個不斷創新的廚師嘗試著更多的滋味組合。正因如此,人類僅有的2.5萬個基因竟然可以合成多達6萬種蛋白質

其二是變得巨大的基因組讓細胞生化活動減速,減速其實是一件好事,不僅可以延長細胞生命,還讓細胞開始積攢DNA和基因,有機會和餘力探索更廣大的複雜性

這就是細胞核的故事,一個大戰喪屍因禍得福的故事。

我是酋知魚,一個有點東西的科學作者,歡迎關注!

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