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在光化学作用下嘌呤核糖核苷和嘌呤脱氧核糖核苷的生命的共同化学起源

分子生物学的中心法则(genetic central dogma)指出遗传信息从脱氧核糖核酸(DNA)转递给核糖核酸(RNA),再从RNA传递给蛋白质,从而完成遗传信息的转录和翻译的过程。遗传信息也可以从DNA传递给DNA,即DNA的复制过程。DNA和RNA都是多聚物,在DNA中由两个嘌呤脱氧核糖核苷酸(腺嘌呤脱氧核糖核苷酸dA和鸟嘌呤脱氧核糖核苷酸dG)和两个嘧啶脱氧核糖核苷酸(胞嘧啶脱氧核糖核苷酸dC和胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸dT)脱水聚合而成。组成RNA的单体核苷酸中糖的结构由脱氧核糖变成核糖,四个核糖核苷酸单体分别变为腺嘌呤核糖核苷酸A、鸟嘌呤核糖核苷酸G、胞嘧啶核糖核苷酸C和尿嘧啶核糖核苷酸U(图1)。在DNA或RNA双链中,嘌呤碱基与嘧啶碱基通过氢键进行碱基配对。

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图1. 组成DNA 和RNA的核苷单体化学结构。


在现代大多数生命体中DNA因为其较高的稳定性而负责遗传信息的长期储存,RNA则因为它的催化活性司职信息传递(mRNA)以及指导蛋白质合成(t-RNA)。而大多数从事生命起源研究的学者认为,在生命起源的最初始阶段,最简单的生命体原细胞(protocell)很可能只是利用RNA作为遗传信息的传递者。这是因为RNA既有自我复制功能,还具有酶的催化功能。而由RNA转化为DNA在现代生物学中需要复杂的蛋白酶催化,因此很多学者认为DNA是当生命进化到产生了蛋白酶后才出现的,是RNA的衍生物。这个观点就是著名的RNA世界假说[1] 它主导了生命起源学术界相当长的一段时间,直到近两年才受到英国皇家医学理事会分子生物学实验室(MRC Laboratory of Molecular Biology)John Sutherland 点击查看介绍)课题组的挑战[2,3] Sutherland 课题组这些发现表明在相似的生命起源条件下,不仅能高效地产生RNA建筑模块中的嘧啶核糖核苷(C,U),还能构建DNA建筑模块中的嘌呤脱氧核糖核苷(dA, dI)。这里的dI是脱氧肌苷,在生命起源的阶段可能作为脱氧鸟苷(dG)的替代物而发挥作用。这样暗示着在生命起源阶段,作为遗传物质的多聚物可能并不是以单一骨架(RNA或DNA)存在,而很有可能是以一个混合骨架即R/DNA存在。


近期,该团队沿用此前发现的重要核苷中间体硫代脱水腺嘌呤核苷(图2)为反应底物,巧妙的利用亚硫酸根离子/亚硫酸氢根离子作为氧化和还原剂,在紫外光作用下,一部分反应原料被还原为腺嘌呤脱氧核苷(dA),同时另一部分原料被氧化为腺嘌呤核苷(A)。由于反应底物的正确选择,此反应实现了高度的立体化学选择性和呋喃糖环选择性,只有天然存在的核苷得以生成。在实验试剂和反应条件的选择上,亚硫酸根离子/亚硫酸氢根离子可以由地球火山喷发出的二氧化硫溶解于水电离得到,并且由于原始地球缺少臭氧层,到达地球表面的紫外线要远远强于现代的水平。因此,这个反应在实验室里几乎完美地模拟了当时的地球环境,在一釜(one pot)里同时高效地合成了腺嘌呤脱氧核糖核苷(dA)和腺嘌呤核糖核苷(A),进一步支持了在生命起源的历史长河中,DNA并不一定是RNA的衍生物,而很有可能是RNA的共生体的新学说。

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图2. 硫代脱水腺嘌呤核苷与亚硫酸根离子/亚硫酸氢根离子在紫外光作用下在一釜(one pot)里同时合成了腺嘌呤脱氧核糖核苷(dA,DNA建筑模块)和腺嘌呤核糖核苷(A,RNA建筑模块)。


相关工作近期发表在Journal of the American Chemical Society 上,文章的第一作者是徐剑锋博士,徐剑锋博士和 John Sutherland教授是文章的共同通讯作者。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Prebiotic Photochemical Coproduction of Purine Ribo- and Deoxyribonucleosides

Jianfeng Xu*, Nicholas J. Green, David A. Russell, Ziwei Liu, and John D. Sutherland*

J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c07403


参考文献:

1. Gilbert, W. Origin of life: The RNA world. Nature, 319, 618 (1986).

2. Xu, J., Green, N. J., Gibard, C., Krishnamurthy, R. & Sutherland, J. D. Prebiotic phosphorylation of 2-thiouridine provides either nucleotides or DNA building blocks via photoreduction. Nat. Chem., 11, 457-462 (2019).

3. Xu, J. et al.  Selective prebiotic formation of RNA pyrimidine and DNA purine nucleosides. Nature, 582, 60-66 (2020).


研究团队简介


徐剑锋博士,本工作的第一作者和共同通讯作者。博士毕业于北京大学医学部(师从张礼和院士和张亮仁教授)。现于英国皇家医学理事会分子生物学实验室John Sutherland 课题组从事天然核苷类化合物生命起源合成的研究。


John Sutherland博士,本工作共同通讯作者,英国皇家医学理事会分子生物学实验室首席研究员,英国皇家科学学会院士,剑桥大学三一学院教授。Sutherland课题组主要从事在地球早期环境下如何构建生命起源所需的有机模块分子的研究。


https://www.x-mol.com/university/faculty/284061 


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