Nature：发现DNA/RNA合成新途径，有望揭示早期生命来源！
来源：本站原创 2020-06-05 08:23
2020年6月5日讯 /生物谷BIOON /——基因高分子RNA和DNA是所有生物系统中信息存储的中心，因此形成了关于生命起源的大多数假设的核心。这些理论中最突出的是"RNA世界"假说，该假说认为，在生命诞生之前，RNA曾经是地球上主要的信息载体和生物化学反应的催化剂。然而，过去几年的研究表明，第一个遗传系统可能是基于同时包含RNA和DNA核苷酸的核酸分子，
2020年6月5日讯 /生物谷BIOON /——基因高分子RNA和DNA是所有生物系统中信息存储的中心，因此形成了关于生命起源的大多数假设的核心。这些理论中最突出的是"RNA世界"假说，该假说认为，在生命诞生之前，RNA曾经是地球上主要的信息载体和生物化学反应的催化剂。然而，过去几年的研究表明，第一个遗传系统可能是基于同时包含RNA和DNA核苷酸的核酸分子，然后这些核酸分子逐渐自我分离成今天的RNA和DNA。Xu等人在《自然》（Nature）杂志上发表的文章为RNA-DNA混合的世界提供了有趣的实验支持。
原始的地球化学过程被认为导致了核酸的构建块的形成--核苷酸和核苷(缺少磷酸基的核苷酸)。在适当的条件下，这些构建块聚合并最终在没有现代蛋白酶帮助的情况下进行复制。
来自同一研究小组的Xu等人先前发现了一个由紫外线导致的反应网络，可以合成RNA中发现的两个标准的核苷：尿苷(U)和胞嘧啶核苷(C)，它们统称为嘧啶。这些反应起始于氰化氢(HCN)及其衍生物，这是一些早期地球上可用的简单分子。这个反应网络的进一步研究和发展提出了一种有趣的可能性，即蛋白质和脂质前体可能与核苷类前体同时出现--从而提供了细胞生成所需的三种主要分子。然而，利用相同的HCN为基础的化学，补充另两种标准RNA核苷(腺甘酸和鸟甘酸，称为嘌呤)的形成的路线仍然难以找到。
图片来源：Nature
在目前的工作中，Xu等人重新考察了在之前建立的合成U和C的反应网络中作为中间体而产生的化合物。他们确定了一个新的通路，在这个通路中嘧啶-核苷合成的关键中间体核糖体-氨基唑啉(RAO)，也可以转化成两个嘌呤DNA核苷，脱氧腺苷(dA)和脱氧肌苷(dI，不是现代DNA中发现的标准核苷之一)。至关重要的是，这些DNA核苷可以与U和C形成碱基对。因此，这四个核苷--U、C、dA和dI--构成了一个完整的"字母表"，在生命起源前的RNA-DNA世界中，它们可以用核酸编码遗传信息。
重要的是，dA和dI的合成可以与U和C的合成平行进行，生成产量和比例适合于构建遗传系统的四种产物的混合物。这种相互兼容性的两个合成途径增加反应网络作为生命起源以前的系统的合理性--如果这两个合成是不相容的，那么就需要设法解释他们如何分开进行合成并最终在一起组装。值得注意的是，在一定的反应条件下，U和C只能在作为dA和dI直接前体的硫安氢嘌呤化合物存在的情况下存在。
许多有机分子可以以左旋和右旋的形式产生，称为对映体，它们是彼此的镜像。然而，现代的核苷酸及其构建块都具有相同的对映体形式。生命起源研究的主要困难之一是解释单对映体是如何从简单的前体分子中产生的，这些前体分子没有旋向性，可能在生命起源前的地球上形成。Xu和他的同事的嘌呤合成在这方面很有吸引力，因为它对现代生物学中观察到的核苷的对映体和其他异构体具有很高的选择性。
在生物起源前联合合成嘧啶和嘌呤核苷和核苷酸的方法已被报道。这些途径需要化学上和对映异构上的纯糖作为起始原料，这就提出了一个问题，即提供这些起始原料需要其他的，往往是未知的生命起源前的过程。相比之下，Xu等人报道的对映体选择性来源于RAO， RAO可以从起始物质几乎为外消旋体的反应中结晶为单一对映体(即起始物质由几乎相等的对映体混合物组成)。
核苷的合成也会导致核苷的碱基以错误的方向附着在糖上。在Xu和同事的合成途径中，紫外线诱导的化学还原发生，导致这些不需要的副产品的显着选择性破坏，最终只产生嘌呤的生物相关异构体。考虑到早期地球受到紫外线的强烈照射，这种反应的显着选择性表明了一种可能的机制，即潜在的核酸异构体的总数减少到今天在自然界观察到的异构体的数量。
Xu和他的同事的工作支持了早期分子进化的观点，这与传统的"纯"RNA世界假说有所不同，并且可能为从混合和复杂的化学环境中寻找生命起源提供了一条更合理的途径。考虑到缺乏"化学化石"，以及地球早期的确切环境和化学成分的不确定性，我们不可能说清到底是哪些化学途径发生了。相反，我们必须确保提出的系统尽可能地符合我们对在生命起源前的地球上实际发生的事情的理解--不仅是化学，还有反应网络的整体复杂性以及它们与其他过程的兼容性。
在目前的工作中，作者们证明了这四种核苷确实可以通过在早期地球上发生的过程(如水解、干燥和紫外线照射)生成，并提供了合理的合成途径，为反应提供所需的起始物质。然而，就所有的生命起源前的合成而言，仍然难以想象实际的微环境能够支持许多特定的化学转变，而这些转变是大量产生生命的基石所必需的。
尽管如此，Xu及其同事的研究令人印象深刻地展示了一个完整的遗传字母表是如何产生的。无论我们认为生命是由RNA单独进化而来，还是由更复杂的核酸混合物进化而来，系统层面的思考寻找相互兼容的生命起源前的化学路径，对于开发生命起源第一阶段的真正可信的模型至关重要。（生物谷Bioon.com）
参考资料：
Xu， J.， Chmela， V.， Green， N. et al. Selective prebiotic formation of RNA pyrimidine and DNA purine nucleosides. Nature 582， 60-66 (2020). https：//doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9
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