不靠酶靠谁？RNA的自我复制之谜

在进化生物学界，一直有一个“鸡生蛋，蛋生鸡”的悖论存在。一方面，大自然利用半保留复制的方式，从上一代向下一代传递基因，这个过程依赖聚合酶的催化“协助”；另一方面，聚合酶的产生又源自基因的转录和翻译。那么，在原始地球上，生命最初的遗传信息怎么传递的呢？是依靠酶，还是依靠核酸？时至今日，RNA病毒的遗传信息复制似乎给了我们一些启发，它们通过RNA指导的RNA聚合来复制基因组。原始地球上生命遗传信息的自我复制很可能也是如此，只不过整个过程没有酶的参与，而可能使用带有有机离去基团的活化核苷酸。对这一过程的化学机理以及哪类序列更适合非酶复制等问题，目前学术界并不清楚，原因主要在于实验条件下重现这一过程极具挑战性。

近日，针对这一涉及生命起源与进化的重大科学问题，德国斯图加特大学有机化学系的Clemens Richert教授团队取得了重要进展。在无酶参与的情况下，他们在以C和G作为碱基的未活化二核苷酸混合物稀水溶液中复制了长达12个核苷酸的RNA序列。根据目前已有的报道，这创造了无酶参与RNA序列自我复制的长度记录。相关工作发表于Angew. Chem. Int. Ed.。

Clemens Richert教授团队。图片来源：斯图加特大学

在以往的研究中，核酸非酶合成模拟实验只能使用含胞嘧啶（C）核苷酸的同聚体作为模板，形成寡聚鸟嘌呤（G）核酸链。遗憾的是，同聚体序列并不能代表生物基因。人们在研究混合序列时遇到了挑战，迄今为止，能合成4种碱基混合序列的案例屈指可数，在优化反应条件下，最高记录也只有7个碱基长度的序列（图1）。相比之下，Richert团队最近将这一记录推进到了12碱基序列。

图1. 以往研究推测的核酸非酶合成机理。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

Richert团队在前人的研究基础上，选择单体核苷酸、二聚体核苷酸（即二核苷酸）作为构建模块（building blocks），引用易于进行非酶复制的G/C碱基序列作为模板，在4 °C特定优化缓冲溶液中进行反应。在规定时间间隔抽取等份试样，用MALDI-TOF质谱法进行分析，反应获得的延伸产物用HPLC标样比较法进行验证。

图2. 本文研究所涉及的序列。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

他们首先使用引物2和复制区域含10个碱基的模板1进行实验（图3A），当构建模块选择单核苷酸CMP和GMP时，检测出单核苷酸序列3为主产物，也就是只延伸了一个碱基。当构建模块选择二核苷酸CG和GG时，质谱检测到延伸了10个碱基的产物序列（图3B）。若用CMP、GMP、CG和GG作为构建模块，则反应检测到的产物序列与只选择二核苷酸构建模块的反应产物相似（图3C）。若用所有含G、C的二核苷酸（GC、GG、CC、CG）作为构建模块，则反应再次检测到延伸了10个碱基的产物序列（图3D）。

图3. 模板1非酶RNA复制反应产物的MALDI-TOF质谱图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

使用二核苷酸构建模块的非酶复制反应，若构建模块和模板含少量配对能力较弱的碱基（A和U），反应能否进行？为研究这个问题，他们使用了模板13。模板13含4种碱基（其中A和U含量较少）。实验结果显示，选用单核苷酸作为构建模块，反应效果不理想，选用二核苷酸AG、CG、GG和UG时，质谱检测到延伸了10个碱基的产物序列，这表明复制反应也适用于弱配对型碱基（图4）。然而，进一步研究发现，这种适应是有限的，当前实验条件下，依然难以进行富含A/U碱基序列模板的非酶复制。此外，他们也分析了反应体系浓度对非酶复制的影响，结果显示反应产率与反应体系浓度存在正相关。

图4. 模板13选用二核苷酸AG、CG、GG和UG进行非酶复制所得产物的MALDI-TOF质谱图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

Richert团队还对非酶复制反应体系进行了优化，选用含12个碱基的模板22，使用含C/G的4种二核苷酸构建模块，反应在低温下进行18天，最后检测到了延伸了12个碱基的产物序列（图5）。

图5. 优化后的非酶复制反应所得产物的MALDI-TOF质谱图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

为了深入理解实验中的模板序列如何支持非酶复制反应，Richert团队进行了计算分析。他们首先从模板的单步引物延伸实验数据中提取了二核苷酸CG、GG、GC和CC的有效速率常数，基于这些速率常数，他们推算了复制含10个C/G碱基的1024种模板序列所需时间，结果显示，含3个G碱基的模板1和另外9个这种类型模板（3个G碱基）复制时间相同，且在10个碱基序列中复制时间最短。有趣的是模板1的反义互补序列（7个G碱基）也有类似结果。他们还计算了每个序列的复制时间，并进行排序，结果显示，模板1复制时间只相当于模板5的45%，模板1和9个同类序列从复制时间到动力学上都适合非酶复制反应（图6）。

图6. 计算分析选择二核苷酸构建模块的非酶复制反应。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

总之，Clemens Richert教授团队的实验和计算数据如同“惊鸿一瞥“，揭示了RNA序列无酶复制的部分场景，他们利用含G/C二核苷酸构建模块，优化的模板和适宜的反应体系，获得了创纪录的12个碱基序列。尽管距离彻底揭开生命早期基因非酶复制的秘密还有很长一段路，该研究无疑还是一个令人振奋的进展。

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）：

Enzyme-Free Copying of 12 Bases of RNA with Dinucleotides

Gabrielle Leveau,Dr. Daniel Pfeffer,Dr. Bernhard Altaner,Dr. Eric Kervio,Franziska Welsch,Prof. Dr. Ulrich Gerland,Prof. Clemens Richert

Angew. Chem. Int. Ed., 2022, 61, e202203067, DOI: 10.1002/anie.202203067

（本文由天生西南供稿）