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引言
RNA世界假说假设在现代生物学公认的DNA-RNA-蛋白质中心法则出现之前，生命体的基本活动完全基于RNA，RNA不仅可以作为遗传信息的存储器，同时还起到催化作用。尽管有多种证据支持RNA世界假说，并且近年来在核苷酸的益生元合成和RNA的非酶聚合方面取得了重大进展，但是RNA是第一个还是唯一可能的遗传聚合物仍值得商榷。因此，近年来不断有学者致力于合成一系列具有类似潜力的核酸类似物，主要是对核苷酸天然糖基部分进行各种化学修饰取代，并研究其碱基配对的特性。其中，苏糖核酸（TNA）最吸引人关注，主要原因是它的糖环由苏糖组成，苏糖在地球益生元条件下可能比戊糖（如核糖）在空间上更容易接触到，同时TNA遵循Watson-Crick碱基配对规则，并且能够与RNA及其自身的互补链形成反平行双链体结构，这为在系统内传递遗传信息提供了可能。因此对TNA的深入研究，将有助于我们深层次的认识RNA世界假说。 成果简介 南京大学现代工程与应用科学学院于涵洋教授近日在《J. Am. Chem. Soc.》上发表了一篇题为“A Threose Nucleic Acid Enzyme with RNA Ligase Activity”的研究论文。在这项工作中，作者通过体外筛选的方法，确定了能够催化2'，3'-二醇和5'-三磷酸基团之间RNA连接反应的TNA（Threose nucleic acid）酶序列。具有RNA连接酶活性的TNA酶的发现可能会成为一种新的分子生物学工具。 图文解读 图1 体外筛选鉴定具有RNA连接酶活性的TNA酶。（A） TNA和RNA重复单元的化学结构。（B）使用含有2'，3'-二醇和5'-三磷酸酯基团的底物可能进行的线性RNA连接反应原理图。（C）TNA酶T8-6催化RNA连接的电泳分析。（D）预测TNA酶T8-6和RNA底物的二级结构。 图2验证TNA酶T8-6催化线性2'-5'RNA连接。（A）部分碱性水解实验表明，TNA酶T8-6催化的RNA连接产物是线性而不是分支结构。（B）使用脱氧核酶8-17的切割试验表明，新形成的键不是天然的3'-5'键。（C）引入连接产物的互补cDNA链，导致脱氧核酶8-17无法在3'-5'进行切割，进一步验证了TNA酶T8-6连接的是2'-5'。 图3 TNA酶T8-6催化反应的生化特征。（A和B）在pH 9.0和7.5下（40 mM Mg2+），考察T8-6催化的RNA连接反应的动力学。（C）pH依赖性的T8-6催化反应速率常数。（D）T8-6催化的反应产率（pH 9.0持续3h，pH 7.5持续6 h）对Mg2+浓度的依赖。（E）pH 7.5时，在各种二价金属离子存在下，T8-6催化6h的RNA连接反应的产率。（F）在pH 7.5下，T8-6催化6小时的反应产率对Mn2+或Zn2+浓度的依赖性。（G）pH 7.5时，在5 mM Mn2+或1.25 mM Zn2+存在下T8-6催化反应的动力学分析。这一实验现象充分说明了T8-6 RNA连接酶对二价金属离子的依赖性。 图4 T8-6连接酶对底物序列要求。（A）测定了最后一个位置具有不同残基的左侧底物和第一个位置具有嘌呤的右侧底物。（B）测定了在-2，+ 2和更远的位置具有不同残基的RNA底物。（C）测定了在连接位点附近具有不变的UA | GA残基并且在其他位置具有可变残基的RNA底物。这些实验结果表明有效的反应需要在连接处存在UA|GA残基，并且可以容忍其他位置的变异。 引言 RNA世界假说假设在现代生物学公认的DNA-RNA-蛋白质中心法则出现之前，生命体的基本活动完全基于RNA，RNA不仅可以作为遗传信息的存储器，同时还起到催化作用。尽管有多种证据支持RNA世界假说，并且近年来在核苷酸的益生元合成和RNA的非酶聚合方面取得了重大进展，但是RNA是第一个还是唯一可能的遗传聚合物仍值得商榷。因此，近年来不断有学者致力于合成一系列具有类似潜力的核酸类似物，主要是对核苷酸天然糖基部分进行各种化学修饰取代，并研究其碱基配对的特性。其中，苏糖核酸（TNA）最吸引人关注，主要原因是它的糖环由苏糖组成，苏糖在地球益生元条件下可能比戊糖（如核糖）在空间上更容易接触到，同时TNA遵循Watson-Crick碱基配对规则，并且能够与RNA及其自身的互补链形成反平行双链体结构，这为在系统内传递遗传信息提供了可能。因此对TNA的深入研究，将有助于我们深层次的认识RNA世界假说。 成果简介 南京大学现代工程与应用科学学院于涵洋教授近日在《J. Am. Chem. Soc.》上发表了一篇题为“A Threose Nucleic Acid Enzyme with RNA Ligase Activity”的研究论文。在这项工作中，作者通过体外筛选的方法，确定了能够催化2'，3'-二醇和5'-三磷酸基团之间RNA连接反应的TNA（Threose nucleic acid）酶序列。具有RNA连接酶活性的TNA酶的发现可能会成为一种新的分子生物学工具。 图文解读 图1 体外筛选鉴定具有RNA连接酶活性的TNA酶。（A） TNA和RNA重复单元的化学结构。（B）使用含有2'，3'-二醇和5'-三磷酸酯基团的底物可能进行的线性RNA连接反应原理图。（C）TNA酶T8-6催化RNA连接的电泳分析。（D）预测TNA酶T8-6和RNA底物的二级结构。 图2验证TNA酶T8-6催化线性2'-5'RNA连接。（A）部分碱性水解实验表明，TNA酶T8-6催化的RNA连接产物是线性而不是分支结构。（B）使用脱氧核酶8-17的切割试验表明，新形成的键不是天然的3'-5'键。（C）引入连接产物的互补cDNA链，导致脱氧核酶8-17无法在3'-5'进行切割，进一步验证了TNA酶T8-6连接的是2'-5'。 图3 TNA酶T8-6催化反应的生化特征。（A和B）在pH 9.0和7.5下（40 mM Mg2+），考察T8-6催化的RNA连接反应的动力学。（C）pH依赖性的T8-6催化反应速率常数。（D）T8-6催化的反应产率（pH 9.0持续3h，pH 7.5持续6 h）对Mg2+浓度的依赖。（E）pH 7.5时，在各种二价金属离子存在下，T8-6催化6h的RNA连接反应的产率。（F）在pH 7.5下，T8-6催化6小时的反应产率对Mn2+或Zn2+浓度的依赖性。（G）pH 7.5时，在5 mM Mn2+或1.25 mM Zn2+存在下T8-6催化反应的动力学分析。这一实验现象充分说明了T8-6 RNA连接酶对二价金属离子的依赖性。 图4 T8-6连接酶对底物序列要求。（A）测定了最后一个位置具有不同残基的左侧底物和第一个位置具有嘌呤的右侧底物。（B）测定了在-2，+ 2和更远的位置具有不同残基的RNA底物。（C）测定了在连接位点附近具有不变的UA | GA残基并且在其他位置具有可变残基的RNA底物。这些实验结果表明有效的反应需要在连接处存在UA|GA残基，并且可以容忍其他位置的变异。 图5 具有2'-5'连接活性的锤头状核酸切割酶的制备和活性测定。（A）TNA酶T8-6和两个RNA底物的二级结构。（B）T8-6催化的连接反应的分析，该反应产生具有2'-5'键的锤头状核酸切割酶。（C）T8-6连接产生的的锤头状核酸切割酶的二级结构及其RNA底物示意图。（D）锤头状核酶的RNA切割活性测定。通过上述实验可以证明，通过T8-6催化产生的2'-5'连接活性的锤头状核酸切割酶，可以保持对底物切割的活性。 总结与展望 在这项工作中，作者通过体外筛选的方法，旨在分离具有RNA连接酶活性的TNA序列，分离出来的T8-6 RNA连接酶可以用于构建具有活性的锤头状核酸切割酶。鉴定此类催化性TNA将为TNA作为潜在的前RNA遗传聚合物提供进一步的实验支持，同时TNA可以作为RNA连接酶这一发现拓宽了分子生物学的应用范围，可以成为一种新的分子工具。 作者简介 于涵洋，南京大学现代工程与应用科学学院教授，博士生导师 2007年，北京大学生命科学学院获学士学位 2013年，美国亚利桑那州立大学获博士学位 2013-2015年，美国耶鲁大学做博士后训练 2015年，入选国家高层次人才计划，加入南京大学 2018年，入选江苏省双创人才计划 研究领域 课题组主要从事化学和生物学交叉学科方向的研究，以人工核酸为主要研究对象，开展化学生物学和合成生物学方面的研究工作。课题组发展的功能性非天然核酸，可以为肿瘤免疫治疗、肿瘤靶向治疗、解决抗生素耐药性等重要问题，提供新型工具分子和干预手段 文献链接 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c02895 图5 具有2'-5'连接活性的锤头状核酸切割酶的制备和活性测定。（A）TNA酶T8-6和两个RNA底物的二级结构。（B）T8-6催化的连接反应的分析，该反应产生具有2'-5'键的锤头状核酸切割酶。（C）T8-6连接产生的的锤头状核酸切割酶的二级结构及其RNA底物示意图。（D）锤头状核酶的RNA切割活性测定。通过上述实验可以证明，通过T8-6催化产生的2'-5'连接活性的锤头状核酸切割酶，可以保持对底物切割的活性。 总结与展望 在这项工作中，作者通过体外筛选的方法，旨在分离具有RNA连接酶活性的TNA序列，分离出来的T8-6 RNA连接酶可以用于构建具有活性的锤头状核酸切割酶。鉴定此类催化性TNA将为TNA作为潜在的前RNA遗传聚合物提供进一步的实验支持，同时TNA可以作为RNA连接酶这一发现拓宽了分子生物学的应用范围，可以成为一种新的分子工具。 作者简介 于涵洋，南京大学现代工程与应用科学学院教授，博士生导师 2007年，北京大学生命科学学院获学士学位 2013年，美国亚利桑那州立大学获博士学位 2013-2015年，美国耶鲁大学做博士后训练 2015年，入选国家高层次人才计划，加入南京大学 2018年，入选江苏省双创人才计划 研究领域 课题组主要从事化学和生物学交叉学科方向的研究，以人工核酸为主要研究对象，开展化学生物学和合成生物学方面的研究工作。课题组发展的功能性非天然核酸，可以为肿瘤免疫治疗、肿瘤靶向治疗、解决抗生素耐药性等重要问题，提供新型工具分子和干预手段 文献链接 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c02895
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