徐劍鋒
生命起源問題一直是現代科學界最有爭議的科學命題，存在許多猜想和假說。目前，化學進化論（包括RNA世界假說）為多數科學家所接受。該學說認為在原始地球的條件下，無機物可以轉變為有機物，有機物可以發展為生物大分子，進而出現一個最簡單、最原始的細胞，即原細胞（protocell）。原細胞要有以下三種物質共同構建而成：1.有自我複製能力的多聚物如核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）；2.有簡單催化功能的蛋白質（由胺基酸組成）；3.有能形成簡單細胞膜的磷脂（lipid）。在現代生物學的中心法則中，DNA 作為遺傳物質可以自我複製，也可 轉錄為信使RNA（mRNA），再由RNA翻譯成蛋白質。但是生命起源學界卻一直認為，生命起源的歷史長河（大概四十億年）中，RNA的出現要遠早於DNA。因為RNA既有DNA的自我複製功能，又具備蛋白質的催化性質，進而推測RNA可能是三者中最古老的分子（RNA世界假說）[1]。
近年來RNA世界假說不斷受到新研究發現的挑戰，其中以英國皇家醫學理事會分子生物學實驗室的John Sutherland 課題組近期的研究發現最為引人注目。該課題組從系統化學(System chemistry)的角度闡述了在原始地球環境下，氫氰酸 （HCN）可以合成原細胞所必需的三種物質的單體：核糖核苷酸、 胺基酸和構成細胞膜的磷脂 [2]，因此推測RNA、蛋白質和磷脂可以同時存在於生命起源的原始湯中（Primordial Soup）。那麼，RNA的分子表親DNA呢？它是RNA長期進化的衍生物，還是和蛋白、磷脂一樣，與RNA共生？這個命題可以從Sutherland實驗室最新發表在自然主刊的該篇生命起源的論文得到解答。
RNA和DNA的化學結構雖然相似，但骨架結構不同（RNA利用核糖骨架，而DNA利用脫氧核糖），其轉化在現代生物學中需要複雜的酶 (核糖核酸還原酶) 催化，而酶由蛋白質組成。在沒有酶存在的原始地球條件下，DNA是如何由RNA轉化而來，最終又如何取代RNA成為遺傳物質，這些是RNA世界假說無法解釋的問題。在生命起源的研究中，史前合成（Prebiotic chemistry）有別於常規有機合成，要求研究者只能使用有明確地理學證據的、在史前環境下可以形成的有機或無機小分子，反應要模擬原始地球的地質和大氣條件，且每一步化學反應的產物不能經過常規人為的分離純化，這給化學研究人員帶來了許多束縛和挑戰。
有挑戰就有機遇。John Sutherland 課題組近年（2017-2019年）的研究成果[3，4]表明，在同樣的地球環境下，DNA和RNA的建築模塊脫氧核糖核苷和核糖核苷很有可能有共同的起源物質——核糖氨基惡唑啉（RAO）（圖1）。這個起源物質有其獨特的化學性質，容易從2-氨基惡唑和甘油醛的反應產物結晶析出[2，5，6]（此兩種原料的史前合成來源請參考文獻2，5，6）。沉澱、結晶、蒸發很有可能是僅有的幾種史前(非人為)分離純化方式，這是基於當時地球表面晝夜溫差變化和雨水河流沖洗等地理現象的推測。更有意思的是，如果反應原料甘油醛不是消旋體的話，會得到對映體富集（enantioenriched）的RAO產物（也就是通過結晶得到的RAO的ee值要大於原料甘油醛的ee值）。當反應原料甘油醛達到60% 的ee（enantiomeric excess，對映體過量）值時， 通過結晶能得到光學純的RAO[7]。這樣以RAO為起源物質得到的核苷也會是光學純的化合物，從而為解決生命體系中的手性問題提供了一個可能的方案。
圖1： 本文和前文報導的嘧啶核苷、嘌呤脫氧核苷的史前合成路線。
這樣以RAO為起始原料，與氰基乙炔（11）反應生成α-脫水胞苷 (12)，再經過硫代（與硫化氫反應，硫化氫和二氧化硫可以由原始地球的火山活動得到）生成α-2-硫代胞嘧啶（13），可以通過光照把1´位構型反轉得到β-2-硫代胞嘧啶（3）。經過水解除了能得到嘧啶核糖核苷，胞嘧啶（1）和尿嘧啶（2）（也就是遺傳密碼中的C和U）外，還生成了2-硫代尿嘧啶（4）。這種修飾的核苷在現代生物學的轉運核糖核酸（t-RNA）中存在，在基因表達和指導蛋白質合成中扮演一定的作用。在磷酸化的過程中，2-硫代尿嘧啶（4）發生分子內重排生成硫代脫水尿苷（6）。而硫代脫水尿苷在光照下被硫化氫還原為2´-脫氧-2-硫代胞嘧啶(5)，一個修飾的脫氧核苷。5 再與腺嘌呤(8)發生鹼基交換反應能低產率（4%）得到腺嘌呤脫氧核糖核苷（7, dA），但是同時得到更多的是它的端位異構體α-腺嘌呤脫氧核糖核苷（6%）。這個光化學還原反應成功地將一個核糖核苷4經過硫代脫水核苷6，利用硫化氫作為還原劑，成功得到了相應的脫氧核糖核苷5。總結於圖2的這個過程提供了一個思路：脫氧核糖核苷可以由硫代脫水核苷經過硫化氫的光照還原反應得到。
圖2: 嘌呤脫氧核苷(dA, dI) 的史前合成路線。
該文研究人員直接利用α-脫水胞苷 (12)或α-脫水尿苷 (15)作為糖基供體， 8-巰基腺嘌呤為苷元，在干法加熱中鹼基交換分別以68% 和87% 的轉化率得到硫代脫水嘌呤核苷 (18) 及其7位氮苷異構體 19。雖然在鹼基取代反應中，非天然的7位氮苷異構體19的產率要高於天然的9位氮苷18，但是在下一步與硫化氫的光化學還原反應中，18的轉化率（39%）要遠高於19的轉化率（23%），分別生成天然的腺嘌呤脫氧核糖核苷（7, dA）和它的7位氮苷異構體20。更值得注意的是，如果選擇另一種還原劑亞硫酸氫根[8]進行光化學還原反應，這種化學選擇性達到極致，非天然的7位氮苷異構體 19被完全降解，18 和19 的混合物只得到天然的9位氮苷產物7（dA）。另外，在室溫和弱酸性水溶液中，7的水解速率是其異構體20的1/70。這些結果都說明，天然腺嘌呤核苷在人為條件和自然環境下均更為穩定。在生命起源的歷史長河中，自然界總能利用強大的化學選擇性為生命體系挑選合適的分子結構，並保留在現代生物體中。
在同樣條件下以8-巰基鳥嘌呤（17）與12 或15反應並沒有得到硫代脫水鳥嘌呤核苷，因此不能生成鳥嘌呤脫氧核苷（dG）。但是脫氧腺苷7 可以在亞硝酸環境 (pH = 4) 脫氨水解，以40% 產率生成脫氧肌苷 (9, dI)。近期有文獻報導，肌苷（I）可以代替鳥苷（G）與胞嘧啶核苷高保真配對[9]。相同的條件下，胞嘧啶(C)脫氨水解為尿嘧啶(U)。這樣作者成功實現了在同一體系中從α，β-2-巰基胞嘧啶核苷（13 和3的混合物）出發經過脫氨水解、高溫共熱、紫外光還原和再次脫氨水解四步高產率生成 dA、dI、C和U四種核苷的化學反應（圖3）。在這個過程中，立體選擇性（β-或α-糖苷鍵）、區域選擇性（腺嘌呤9- 或7- 取代）和呋喃環（五元環或六元環）選擇性都得到了體現，在最終反應混合物中只有天然構型的核苷得以生成和保留。混合產物中的嘧啶核糖核酸（C和U）和嘌呤脫氧核糖核酸（dA和dI）從理論上構成了另類的遺傳信息字母表。
圖3: 可能組成生命起源原始濃湯中遺傳信息字母表的C, U, dA, dI 的系列合成。
本文實驗結果表明，DNA和RNA建築模塊在生命起源的初始階段就已經共存，而不是像RNA世界假說所推測的那樣DNA在生命經過漫長的衍生過程後，在產生了相應催化反應的酶之後再由RNA轉化而來。這個新結果為生命起源的研究開闢了一條新的思路——在生命起源階段，作為遺傳物質的多聚物可能並不是以單一骨架（RNA或DNA）存在，而很有可能是以一個混合骨架即R/DNA存在。在漫長的進化過程中，RNA和DNA再分別從混合骨架中單獨分離開來，在現代生命體中各司其職。DNA因為其較高的穩定性而負責遺傳信息的長期儲存，RNA則因為它的催化活性司職信息傳遞（mRNA）、指導蛋白質合成（t-RNA）。當然，這種新的思路還需要經一步實驗的證明和論證。