Nature：在生命的原點，DNA可能不會管RNA叫爸爸

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「我們的實驗證明了它們是好兄弟，DNA可能不會管RNA叫爸爸。」

—— J. Sutherland

生命物質起源問題向來是化學和生命科學中的皇冠，也似乎是不可能完成的任務。核苷酸、胺基酸，這些物質的起源發生在近40億年前，絕大部分證據都早已湮沒。同時，它們的形成在我們已知的世界中只發生過一次，沒有可以歸納總結的基礎。但是，這些並沒有驅散化學工作者對這個問題的興趣。經過長期艱苦的努力，Sutherland、Carell、Szotack等人分別領導的研究團隊在生物分子的前生物合成（prebiotic synthesis）領域都取得了豐碩的成果。

不同於常規的有機合成方法學和天然產物全合成，前生物合成要求研究者只能使用有明確科學證據的、在生命起源前環境下可以形成的有機無機小分子，並且要求研究者考慮原始地球的地質和大氣條件，這就為前生物合成平添許多束縛。此外，核苷酸、胺基酸中眾多的手性碳原子，以及沉澱、結晶、蒸發等生命起源前環境中有限的分離純化方式也極大地增加前生物合成的研究難度。2009年，Sutherland 等人在Nature 雜誌上報導了以2-氨基惡唑和甘油醛生成阿拉伯糖氨基惡唑啉（AAO）為關鍵反應的嘧啶核苷酸前生物合成路線（Nature, 2009, 459, 239）。其中光學純的AAO可以反應體系中直接結晶得到，AAO和氰基乙炔反應構成嘧啶六元環，但不影響1位β-碳氮糖苷鍵，從而有效解決了核糖核苷1&39;碳的手性問題。十年來，Sutherland 團隊一直致力於完成嘌呤核苷的前生物合成途徑，但收效甚微。2019 年，Carell 團隊在Science 上報告了經由類似的3-氨基異惡唑中間體合成嘧啶和嘌呤核糖核苷的研究工作（Science, 2019, 366, 76），其路徑直接使用了化學純和光學純的五碳糖，但這些糖的起源途徑還不得而知。總之，有效合理的嘌呤核苷的前生物合成路線一直懸而未決。

近日，Nature 正式刊發了英國劍橋分子生物學實驗室 John Sutherland團隊「十年磨一劍」式的研究成果——嘌呤脫氧核苷的前生物合成路徑，他們以高收率以及完全的立體、區域和呋喃糖基選擇性實現了脫氧腺苷和脫氧肌苷的前生物合成。合成使用了經典的嘧啶核糖核苷（胞苷和尿苷）前生物合成中的關鍵中間體，並且，這些嘧啶一旦生成就會在嘌呤脫氧核糖核苷的整個合成過程中一直存在，從而形成脫氧腺苷、脫氧肌苷、胞苷和尿苷的混合物。這些結果支持了嘌呤脫氧核苷和嘧啶核苷可能在生命出現之前並存的觀點。

圖1. John Sutherland博士。圖片來源：劍橋國家分子生物學實驗室

人們很早證實，在原始地球環境下，5個氫氰酸分子聚合可以生成一個腺嘌呤分子（Nature, 1961, 191, 1193）。硫氰酸銨（NH4SCN）或硫脲（(NH2)2CS）也都是曾報導的生命起源前地球上含量豐富的小分子前體。本文中研究者將腺嘌呤的自然水解產物連三氨基嘧啶與硫氰酸銨或硫脲反應，得到8-巰基腺嘌呤（16）（圖2）。與前文提到的AAO在1&39;碳都手性相反的非對映異構體核糖氨基惡唑啉（RAO）（10）和氰基乙炔（11）反應生成α-脫水胞苷（12）。8-巰基腺嘌呤（16）與12或α-脫水尿苷（15）在150 ℃的幹態下反應，輔以氯化鎂，以68% 和87% 的轉化率得到硫代脫水嘌呤核苷（18）及其7位氮苷異構體（19）。在反應中8-巰基腺嘌呤（16）的巰基孤對電子SN2進攻核糖2&39;位碳，糖環構型反轉為β-糖苷，嘧啶環脫離核糖，嘌呤環取而代之。

圖2. 本文和前文報導的嘧啶核苷、腺嘌呤脫氧核苷的前生物合成路線。圖片來源：Nature

根據之前報導的相似的反應條件（Nat. Chem., 2019, 11, 457），經過光還原反應，18以39%的收率轉化為脫氧腺苷（7）。如此的產率在前生物合成化學中已經非常可觀。更值得注意的是，在光還原反應的產物中，所期望的脫氧腺苷9-氮苷產物（7）和7-氮苷異構體（20）與反應原料中18、19相比比例上升。同時研究者發現，在室溫和弱酸性水溶液中，7的水解速率是其異構體的1/70。這些結果說明天然脫氧腺苷在人為條件和自然環境下都更為穩定。

圖3. 嘌呤脫氧核苷的前生物合成路線。圖片來源：Nature

作者報導，在同樣條件下使用8-巰基鳥嘌呤並沒有得到脫氧鳥苷。畢竟目前尚不能確定，現代生命體系中的鳥苷同樣存在於原始地球生命系統中。另一方面，脫氧腺苷7可以在亞硝酸環境（pH = 4）脫氨水解，以40%收率生成脫氧肌苷（9）。而（脫氧）肌苷可以代替鳥苷與胞嘧啶核苷高保真配對（圖4）。可惜的是，作者沒有給出從肌苷轉化為鳥苷的有效方法。相同的條件也使胞嘧啶脫氨水解為尿嘧啶，從而實現了在同一體系中從2-巰基胞嘧啶核苷出發經過脫氨水解、高溫共熱、紫外光還原和再次脫氨水解四步生成脫氧腺苷（7）、脫氧肌苷（9）、胞苷（1）和尿苷（2）四種（脫氧）核苷的化學反應（圖5）。在該過程中，立體選擇性（β-或α-糖苷鍵）、區域選擇性（腺嘌呤9-或7-取代）和呋喃環選擇性（五元環或六元環）都得到了保證。堪稱「簡潔但不簡單」。

圖4. 文中提及的四種（脫氧）核苷的配對關係

圖5. 同一體系中產生四種（脫氧）核苷的方法。圖片來源：Nature

根據這些結果，作者質疑傳統的「RNA世界」假說。該假說認為，RNA核苷是最早出現的生命物質；它不但可以客串DNA脫氧核苷以記載和傳遞遺傳信息，也可以扮演現代生命系統中的蛋白質來催化各種生物化學反應；DNA和蛋白質是RNA進化的產物。然而RNA遠不如DNA穩定，其催化能力也非常有限且僅存在於長鏈RNA中，目前尚沒有證據證明單獨的RNA分子可以自我複製。

Sutherland說：「任何人一看它們的結構都會認為RNA和DNA長的很像，我們的實驗證明了它們是好兄弟，DNA可能不會管RNA叫爸爸。」(「This work really suggests that they’re molecular siblings, as opposed to one being the parent of the other.」)。本文作者更傾向認為，RNA並不孤獨，核苷可以有效地脫氧還原為脫氧核苷，RNA和DNA二者的出現沒有明確的時間界線。核糖與脫氧核糖結合不同的鹼基，共同擔負起傳遞信息、催化反應的任務。糖苷鍵的斷裂、鹼基的水解迭代發展出了現代生命體系中更完善核酸結構系統和它們的表觀修飾產物。核酸、多肽和脂類則慢慢在歷史的長河中互相影響，不斷演化，孕育生命。

劍橋大學徐劍鋒博士和Václav Chmela 為本工作的共同第一作者，愛丁堡大學和華沙科技大學的同事對本文亦有貢獻。作者感謝MRC和Simons 基金會的資助。

Selective prebiotic formation of RNA pyrimidine and DNA purine nucleosides

Jianfeng Xu, Václav Chmela, Nicholas J. Green, David A. Russell, Mikołaj J. Janicki, Robert W. Góra, Rafał Szabla, Andrew D. Bond, John D. Sutherland

Nature, 2020, 582, 60–66, DOI: 10.1038/s41586-020-2330-9

（本文由萌哥供稿）