rna和dna的区别(DNA和RNA在结构上的区别)

rna和dna的区别(DNA和RNA在结构上的区别)徐剑锋生命起源问题一直是现代科学界最有争议的科学命题,存在许多猜想和假说。目前,化学进化论(包括RNA世界假说)为多数科学家所接受。该学说认为在原始地球的条件下,无机物可以转变为有机物,有

生命起源的研究:DNA是RNA的衍生物还是共生体?

徐剑锋

生命起源问题一直是现代科学界最有争议的科学命题,存在许多猜想和假说。目前,化学进化论(包括RNA世界假说)为多数科学家所接受。该学说认为在原始地球的条件下,无机物可以转变为有机物,有机物可以发展为生物大分子,进而出现一个最简单、最原始的细胞,即原细胞(protocell)。原细胞要有以下三种物质共同构建而成:1.有自我复制能力的多聚物如核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA);2.有简单催化功能的蛋白质(由氨基酸组成);3.有能形成简单细胞膜的磷脂(lipid)。在现代生物学的中心法则中,DNA 作为遗传物质可以自我复制,也可 转录为信使RNA(mRNA),再由RNA翻译成蛋白质。但是生命起源学界却一直认为,生命起源的历史长河(大概四十亿年)中,RNA的出现要远早于DNA。因为RNA既有DNA的自我复制功能,又具备蛋白质的催化性质,进而推测RNA可能是三者中最古老的分子(RNA世界假说)[1]。

近年来RNA世界假说不断受到新研究发现的挑战,其中以英国皇家医学理事会分子生物学实验室的John Sutherland 课题组近期的研究发现最为引人注目。该课题组从系统化学(System chemistry)的角度阐述了在原始地球环境下,氢氰酸 (HCN)可以合成原细胞所必需的三种物质的单体:核糖核苷酸、 氨基酸和构成细胞膜的磷脂 [2],因此推测RNA、蛋白质和磷脂可以同时存在于生命起源的原始汤中(Primordial Soup)。那么,RNA的分子表亲DNA呢?它是RNA长期进化的衍生物,还是和蛋白、磷脂一样,与RNA共生?这个命题可以从Sutherland实验室最新发表在自然主刊的该篇生命起源的论文得到解答。

生命起源的研究:DNA是RNA的衍生物还是共生体?

RNA和DNA的化学结构虽然相似,但骨架结构不同(RNA利用核糖骨架,而DNA利用脱氧核糖),其转化在现代生物学中需要复杂的酶 (核糖核酸还原酶) 催化,而酶由蛋白质组成。在没有酶存在的原始地球条件下,DNA是如何由RNA转化而来,最终又如何取代RNA成为遗传物质,这些是RNA世界假说无法解释的问题。在生命起源的研究中,史前合成(Prebiotic chemistry)有别于常规有机合成,要求研究者只能使用有明确地理学证据的、在史前环境下可以形成的有机或无机小分子,反应要模拟原始地球的地质和大气条件,且每一步化学反应的产物不能经过常规人为的分离纯化,这给化学研究人员带来了许多束缚和挑战。

有挑战就有机遇。John Sutherland 课题组近年(2017-2019年)的研究成果[3,4]表明,在同样的地球环境下,DNA和RNA的建筑模块脱氧核糖核苷和核糖核苷很有可能有共同的起源物质——核糖氨基恶唑啉(RAO)(图1)。这个起源物质有其独特的化学性质,容易从2-氨基恶唑和甘油醛的反应产物结晶析出[2,5,6](此两种原料的史前合成来源请参考文献2,5,6)。沉淀、结晶、蒸发很有可能是仅有的几种史前(非人为)分离纯化方式,这是基于当时地球表面昼夜温差变化和雨水河流冲洗等地理现象的推测。更有意思的是,如果反应原料甘油醛不是消旋体的话,会得到对映体富集(enantioenriched)的RAO产物(也就是通过结晶得到的RAO的ee值要大于原料甘油醛的ee值)。当反应原料甘油醛达到60% 的ee(enantiomeric excess,对映体过量)值时, 通过结晶能得到光学纯的RAO[7]。这样以RAO为起源物质得到的核苷也会是光学纯的化合物,从而为解决生命体系中的手性问题提供了一个可能的方案。

生命起源的研究:DNA是RNA的衍生物还是共生体?

图1: 本文和前文报道的嘧啶核苷、嘌呤脱氧核苷的史前合成路线。

这样以RAO为起始原料,与氰基乙炔(11)反应生成α-脱水胞苷 (12),再经过硫代(与硫化氢反应,硫化氢和二氧化硫可以由原始地球的火山活动得到)生成α-2-硫代胞嘧啶(13),可以通过光照把1´位构型反转得到β-2-硫代胞嘧啶(3)。经过水解除了能得到嘧啶核糖核苷,胞嘧啶(1)和尿嘧啶(2)(也就是遗传密码中的C和U)外,还生成了2-硫代尿嘧啶(4)。这种修饰的核苷在现代生物学的转运核糖核酸(t-RNA)中存在,在基因表达和指导蛋白质合成中扮演一定的作用。在磷酸化的过程中,2-硫代尿嘧啶(4)发生分子内重排生成硫代脱水尿苷(6)。而硫代脱水尿苷在光照下被硫化氢还原为2´-脱氧-2-硫代胞嘧啶(5),一个修饰的脱氧核苷。5 再与腺嘌呤(8)发生碱基交换反应能低产率(4%)得到腺嘌呤脱氧核糖核苷(7, dA),但是同时得到更多的是它的端位异构体α-腺嘌呤脱氧核糖核苷(6%)。这个光化学还原反应成功地将一个核糖核苷4经过硫代脱水核苷6,利用硫化氢作为还原剂,成功得到了相应的脱氧核糖核苷5。总结于图2的这个过程提供了一个思路:脱氧核糖核苷可以由硫代脱水核苷经过硫化氢的光照还原反应得到。

生命起源的研究:DNA是RNA的衍生物还是共生体?

图2: 嘌呤脱氧核苷(dA, dI) 的史前合成路线。

该文研究人员直接利用α-脱水胞苷 (12)或α-脱水尿苷 (15)作为糖基供体, 8-巯基腺嘌呤为苷元,在干法加热中碱基交换分别以68% 和87% 的转化率得到硫代脱水嘌呤核苷 (18) 及其7位氮苷异构体 19。虽然在碱基取代反应中,非天然的7位氮苷异构体19的产率要高于天然的9位氮苷18,但是在下一步与硫化氢的光化学还原反应中,18的转化率(39%)要远高于19的转化率(23%),分别生成天然的腺嘌呤脱氧核糖核苷(7, dA)和它的7位氮苷异构体20。更值得注意的是,如果选择另一种还原剂亚硫酸氢根[8]进行光化学还原反应,这种化学选择性达到极致,非天然的7位氮苷异构体 19被完全降解,18 和19 的混合物只得到天然的9位氮苷产物7(dA)。另外,在室温和弱酸性水溶液中,7的水解速率是其异构体20的1/70。这些结果都说明,天然腺嘌呤核苷在人为条件和自然环境下均更为稳定。在生命起源的历史长河中,自然界总能利用强大的化学选择性为生命体系挑选合适的分子结构,并保留在现代生物体中。

在同样条件下以8-巯基鸟嘌呤(17)与12 或15反应并没有得到硫代脱水鸟嘌呤核苷,因此不能生成鸟嘌呤脱氧核苷(dG)。但是脱氧腺苷7 可以在亚硝酸环境 (pH = 4) 脱氨水解,以40% 产率生成脱氧肌苷 (9, dI)。近期有文献报道,肌苷(I)可以代替鸟苷(G)与胞嘧啶核苷高保真配对[9]。相同的条件下,胞嘧啶(C)脱氨水解为尿嘧啶(U)。这样作者成功实现了在同一体系中从α,β-2-巯基胞嘧啶核苷(13 和3的混合物)出发经过脱氨水解、高温共热、紫外光还原和再次脱氨水解四步高产率生成 dA、dI、C和U四种核苷的化学反应(图3)。在这个过程中,立体选择性(β-或α-糖苷键)、区域选择性(腺嘌呤9- 或7- 取代)和呋喃环(五元环或六元环)选择性都得到了体现,在最终反应混合物中只有天然构型的核苷得以生成和保留。混合产物中的嘧啶核糖核酸(C和U)和嘌呤脱氧核糖核酸(dA和dI)从理论上构成了另类的遗传信息字母表。

生命起源的研究:DNA是RNA的衍生物还是共生体?

图3: 可能组成生命起源原始浓汤中遗传信息字母表的C, U, dA, dI 的系列合成。

本文实验结果表明,DNA和RNA建筑模块在生命起源的初始阶段就已经共存,而不是像RNA世界假说所推测的那样DNA在生命经过漫长的衍生过程后,在产生了相应催化反应的酶之后再由RNA转化而来。这个新结果为生命起源的研究开辟了一条新的思路——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。在漫长的进化过程中,RNA和DNA再分别从混合骨架中单独分离开来,在现代生命体中各司其职。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)、指导蛋白质合成(t-RNA)。当然,这种新的思路还需要经一步实验的证明和论证。

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