Nat Chem：“万世浮华，万宗归一”之异腈

今天我们来说说异（yì） 腈（jīng）。放心，不是传说中周文王写的那本。

我们都知道，现代生物体内负责能量转换的小分子是三磷酸腺苷（ATP）。ATP单位能量小、使用方便、循环快，不产生废物，让生命体的能量利用井然有序。生产ATP需要ATP合成酶和线粒体膜两侧极高的氢离子浓度差。但是，在近40亿年前地球的前生物时代，即使存在脂膜两侧的渗透差，在没有ATP合成酶的情况下，合成ATP也是很难想象的。那么，在前生物时代，小分子模块是怎样利用化学能合成复杂的核酸链和多肽链的？

最近，Nature Chemistry 在线发表的英国剑桥分子生物学实验室John Sutherland课题组的研究论文就回答了这一问题。他们的工作表明，甲基异腈（methyl isonitrile, CH₃NC）与4,5-二氰基咪唑（DCI）可以活化核苷酸和氨基酸，从而形成寡聚核苷酸、寡肽和磷脂。

John Sutherland博士。图片来源：剑桥分子生物学实验室

目前，化学家已经报道了核苷、脱氧核苷和氨基酸的前生物合成方法，而且在液相和固相中也可以得到长链的DNA、RNA和短肽。但最终还是要把氨基酸和核酸以共价键相连，即实现中心法则中的最重要的环节——活化氨基酸和核苷酸。现代的生物体中，在氨酰tRNA合成酶的帮助下，氨基酸与ATP首先形成氨酰-5-磷酸腺苷混合酸酐。tRNA 3'末端的腺嘌呤核苷酸的2'或3'位羟基会很快进攻氨基酸羧基碳，与氨基酸形成酯，即氨酰tRNA（图1）。氨酰tRNA在核糖体rRNA中按照信使RNA的碱基序列信息组装多肽。不过，前生物环境中没有氨酰tRNA合成酶，核苷酸和氨基酸是怎么被活化的呢？Krishnamurthy 等人在2017年报道了利用磷酰二氨（Diamidophosphate, DAP）在糊状体系中活化核苷、氨基酸形成寡聚核苷酸和寡肽的方法（Nat. Chem., 2018, 10, 212），但是该方法不能在溶液环境中同时活化核苷和氨基酸。要知道，核苷合成和遗传信息复制都是液相反应，在这个前提下，人们很难接受二者直接会发生类固相反应的解释。

图1. 氨酰tRNA的形成

回到我们今天故事的主角甲基异腈（1），它常温下是液体，存在于星际空间和地表含铁矿物中，并在紫外辐照下释放。它有确凿的地质来源，在常温和水环境下能利用其化学能活化，而DCI（7）是氰化钾聚合成腺嘌呤反应中的另一主要产物。这样，甲基异腈就有可能整合核酸、氨基酸、磷脂三大类生命物质，为生命的诞生准备物质基础。

图2. 文中提及的活化反应。图片来源：Nat. Chem.

研究者发现甲基异腈可以与3'-磷酸腺苷（3）反应以12%的产率生成环磷酸腺苷（4，图2a），这相当于活化了3'-磷酸。当用乙酰保护的丙氨酸代替醋酸后，发现产物中有丙氨酸与3'-磷酸腺苷2'-羟基的酯化产物（5），这相当于活化了乙酰丙氨酸的羧基，也是氨酰tRNA的雏形。反应中加入DCI可以提高乙酯的产率。值得注意的是，当用甲基异腈与乙酰丙氨酸等量对映体反应时，酯化产物5中L-丙氨酸酯是D构型的四倍，使用光学纯对映体时却同时得到两种构型的酯化产物，说明丙氨酸在活化过程中发生消旋，且L构型更容易形成酯，这可以解释为甲基异腈先与氨基酸生成了恶唑酮中间体8a（图3）。甲基异腈不仅可以活化氨基酸，也可以活化二肽和三肽。当研究者用5'-磷酸腺苷（9）替换3'-磷酸腺苷进行反应时，得到了氨酰tRNA的前体——氨酰-5'-磷酸腺苷混酐（10, 图2b）。如图2c，如果混合使用3'-磷酸腺苷和5'-磷酸腺苷，在甲基异腈和DCI的作用下，不仅得到了2',3'-环磷酸腺苷（4）、乙酰丙氨酸的酯化产物（5）和混酐（10），还得到了丙甘二肽和相应的酯化产物和混酐，说明活化的氨基酸可以形成结构更复杂的寡肽。

图3. 文中设计的活化网络图。图片来源：Nat. Chem.

随后，本文作者提出了核苷酸和氨基酸的前生物活化路径（图3)。甲基异腈与氨基酸反应得到活性中间体11，与5'-或3'-磷酸腺苷反应得到中间体12或13。11和9可以产生5'-磷酸混酐10活化氨基酸形成多肽；11和3可以经3'-磷酸混酐6得到环磷酸腺4用于核苷酸的聚合成链，6发生分子内转移生成2'-羟基酯化产物5。然而，该方法并不能活化没有保护的氨基酸。在前生物条件下，氨基未保护氨基酸的3'-磷酸腺苷的2'酯化物尚未见报道。目前还不清楚，在最初RNA指导多肽合成的过程中氨基酸是否带有保护基，带有何种保护基，甚至最初合成多肽的模块是否为当今生物体系中所使用的α-氨基酸。

此外，甲基异腈和DCI可以活化甘油-2-磷酸（15）和癸酸，以19%的产率得到单癸酸2-磷酸甘油酯，它是前生物膜的重要组成部分；在模版RNA的帮助下，甲基异腈将两个RNA片段连为一体（图4）。这两个例子显示了甲基异腈和DCI多方面的催化活性。

图4. 甲基异腈依靠模版连接RNA的示意图。图片来源：Nat. Chem.

甲基异腈由氰类无机物生成，结合Sutherland组之前给出的RNA、蛋白质和磷脂共同的硫氰化学生成途径（Nat. Chem., 2015, 7, 301），作者更坚信氰类化合物在前生物化学中扮演着的重要角色。在没有ATP的前生物时代，小分子有机物同样可以利用甲基异腈中碳氮三键蕴藏的化学能，自发、有序、特异地形成单一手性的链状结构，耗散化学能，换取负熵，构建出复杂的生命系统。核酸、氨基酸、脂类三大类物质无不干扰，但又协同作用，演化出色彩斑斓的大千世界。

本工作由英国剑桥分子生物学实验室John Sutherland课题组刘紫微、吴龙飞共同完成，其他同事亦有贡献。作者感谢MRC和Simons 基金会的支持。

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Harnessing chemical energy for the activation and joining of prebiotic building blocks

Ziwei Liu, Long-Fei Wu, Jianfeng Xu, Claudia Bonfio, David A. Russell, John D. Sutherland

Nat. Chem., 2020, 12, 1023-1028, DOI: 10.1038/s41557-020-00564-3

（本文由萌哥供稿）