手性谜团：清华团队《Nature Chem.》报道化学合成的“镜像”活性DNA聚合酶

对化学人来说，“手性”是个熟的不能再熟的概念，两个组成完全相同的分子以不重合的形式互为镜像，就像一双手套的左手和右手那样。生命中也存在“手性”，例如，天然状态下，蛋白质几乎都是由左旋氨基酸构成，而糖类大多是右旋的（包括RNA中的核糖和DNA中的脱氧核糖）；另一个有趣的例子是著名的DNA双螺旋结构，永远都是右手螺旋。生命为什么会青睐这种“手性”？是进化过程中的偶然，还是别有不为人知的科学机理？这些问题到目前为止，还都是未解之谜。

天然的D-DNA和聚合酶（下）及其镜像（上）。图片来源：NPG

清华大学朱听（Ting Zhu）研究员和刘磊（Lei Liu）教授领导的研究团队，最近朝着解决这些谜团般的问题迈出了里程碑式的一步。他们在《Nature Chemistry》发表论文，首次使用由右旋氨基酸化学合成的“镜像”DNA聚合酶实现了分子生物学“中心法则”中两个关键的步骤——DNA的复制与DNA转录成RNA。本文共同第一作者为王子谋（Zimou Wang）和徐维亮（Weiliang Xu）。（A synthetic molecular system capable of mirror-image genetic replication and transcription. Nature Chem., DOI: 10.1038/nchem.2517）

这项研究的关键是合成完全由右旋氨基酸组成且具有生物活性的镜像DNA聚合酶，而常见的DNA聚合酶一般含有600个以上氨基酸残基，这对目前的合成生物学方法来说实在是大的不能承受。因此该清华团队以目前已知最小的DNA聚合酶——包括174个氨基酸残基的非洲猪瘟病毒聚合酶X（African swine fever virus polymerase X，ASFV pol X）为目标，成功使用右旋氨基酸合成了其镜像DNA聚合酶（D-polymerase）。在后续的测试中，该清华团队使用了与天然DNA复制系统（D-DNA模板、D-DNA引物、D-脱氧核苷酸）完全镜像的分子系统，即，L-DNA模板、L-DNA引物、L-脱氧核苷酸，在镜像DNA聚合酶的作用下成功复制了L-DNA。实验结果证明，4小时内，镜像DNA聚合酶可以将12个核苷酸长度的引物延长至18个核苷酸；36个小时内，延长至56个核苷酸（如下图）。而且，与天然DNA聚合酶的功能类似，镜像DNA聚合酶也能利用L-DNA为模板，合成L-RNA，这意味着DNA转录成RNA在“镜像世界”中也能进行。

更有趣的是，当天然的DNA复制系统与其镜像版本混合在一起时，两个版本的DNA复制过程都能相互独立地工作，互不干扰（如下图）。这说明，无论是天然系统还是镜像系统，酶的手性特异性都相当出色。

研究这些镜像分子不光在探究生命起源和进化中有重要意义，在医学中也有非常现实的应用前景。镜像分子在自然界不存在，自然界中的病毒或酶还没有进化出识别并攻击它们的手段，这就意味着它们或可即保留类似其天然分子的活性，又躲避自然界中病毒或酶的攻击。目前，就有一家名为Noxxon Pharma的德国生物技术公司，他们合成了一些小分子镜像适配体（aptamer，能结合蛋白质的DNA或RNA），可以与一些疾病靶标蛋白结合并抑制其活性，从而实现治疗效果。Noxxon的几个镜像适配体已经在进行临床试验，所治疗的疾病包括癌症。但是，合成镜像分子效率不高，如果有镜像DNA聚合酶能够像目前的PCR技术那样方便的扩增镜像DNA分子，这将大大降低开发及合成镜像适配体的难度。

该清华团队的下一步工作是合成更高效的镜像DNA聚合酶，例如包括352个氨基酸残基的Dpo4。

哈佛大学的分子生物学家Jack Szostak博士以及George Church博士都对本项成果给出了高度评价，尽管对于最终构建“镜像生命”来说只是一小步，Church认为本项成果是“里程碑”式的一步，让这个研究领域从“籍籍无名”变得“充满活力”。

1. http://www.nature.com/nchem/journal/vaop/ncurrent/full/nchem.2517.html

2. http://www.nature.com/news/mirror-image-enzyme-copies-looking-glass-dna-1.19918