DNA堿基欲添“新成員”？

張長青/編譯

史蒂文·本納

●盡管DNA已經(jīng)存在了數(shù)十億年，但科學家相信有能力將其改造的更好。當來自佛羅里達蓋恩斯維爾應用分子進化基金會生物化學家史蒂文·本納（Steven Benner）開始重新設計遺傳分子時，他卻沒有多想在DNA上著手。班納指出，從一開始就他就意識到，這項設計其實并不怎么高明……要是想揭示出謎底，只有繼續(xù)動手再實驗。

重新設計DNA的用武之地

DNA主鏈是由含重復的、帶負電荷的磷酸基團構成的。因負電荷具有排斥性，受此特性影響，導致在雙體螺旋結構下的雙鏈DNA很難粘結在一起。在自然界中，只有兩組堿基配對類型：腺嘌呤(A)和胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和鳥嘌呤(G)。這兩組配對類型主要靠氫鍵進行互相配對，但這些氫鍵間的結合作用很弱，極易被水分子破壞，而細胞卻是由水注滿的。本納入指出，你信賴的價值遺傳基因會被送至水中的氫鍵上，如果你是從事此項設計的化學家，相信你決不會這樣做的。

盡管生命有多種正當理由能塑造這種結構，卻也阻止不了如本納等科學家試圖改變其自然屬性的決心。在過去幾十年中，科學家們已經(jīng)對DNA的基本成分進行過修飾，并開發(fā)出A、T、C和G以外的堿基字母，并讓它們以類似的方式進行配對和復制。據(jù)本納介紹，目前仍有不少糾結的問題亟待解決。迄今為止，只有少數(shù)非自然堿基對能連續(xù)插入DNA，細胞仍不能完全利用外源生化合成的堿基。

重新設計DNA及其遠親RNA已經(jīng)有了用武之地。人造堿基對已經(jīng)能夠用于檢測病毒，并在醫(yī)學領域可以找到其他用途。但科學家們依舊對其全部充滿好奇之心，他們希望最終開發(fā)出的有機體能讓擴大的非自然遺傳字母存儲更多的信息，或誕生出根本不含自然遺傳字母的基因組。在創(chuàng)造這些生命形式的過程中，研究人員可以學到更多有關遺傳分子結構基礎性制約因素的知識，以此判斷自然堿基對生命有無必要，或只是簡單地起著多種方案中的一種方式而已?！氨M管生物在地球上有其特定的存在方式，但一般而言，還會有其他實現(xiàn)這些目標的方式”，加州拉荷亞斯克利普斯研究所的核酸生物學家杰拉爾德·喬伊斯（Gerald Joyce）如是說。

早在上世紀70年代讀研究生的本納，就開始對改變自然結構感興趣了。化學家們合成了各類化學物質(zhì)，從多肽到毒藥，有人甚至想嘗試讓構建分子跟自然酶一樣，具有其相同的功能，或具有不同化學結構的抗體，但他們卻在很大程度上忽略了DNA的作用。從設計角度看，化學家們當時將注意力全部放在了其他所有類別的分子上，而忽略了生物學的中心——DNA。

1986年，本納在蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工學院建立了實驗室，嘗試重建DNA主鏈。在實驗中，他很快意識到有時看似是瑕疵，卻可能是一種特性的表達。當他及團隊成員利用中性化學 （群）基團替代主鏈負電磷酸鹽時，他們發(fā)現(xiàn)，任何長于約12個單位的鏈都會自行折疊。這是否是其需排斥電荷而保持分子延展的緣故？

為了證明堿基更能經(jīng)得起修飾，本納開始創(chuàng)建類似于自然界的堿基對，但利用的是重新排列的氫鍵單元。他的團隊測試了兩種新堿基對：iso-C和iso-G及K和黃嘌呤核苷。實驗顯示，用于復制DNA或轉(zhuǎn)錄RNA的聚合酶竟然能夠讀取含非自然堿基對的DNA，且能將互補的配體插入DNA或RNA發(fā)育鏈中。核糖體，一種能將RNA轉(zhuǎn)錄成蛋白質(zhì)的細胞機器，也能讀取含iso-C的RNA片段，并利用此片段，再添加非自然氨基酸后送入發(fā)育蛋白中。

本納指出，位于遺傳中心的堿基對為分子的可延展性給我們預留了極大空間。研究人員遇到的問題，是因為氫原子趨于游離狀，iso-G經(jīng)常會演變成另一種形式與T結對，而非iso-C。

多個研究團隊競相揭示謎底

加州斯坦褔大學化學家埃里克·庫爾（Eric Kool），他所領導的團隊在利用固定式氫鍵排列開發(fā)非自然堿基對過程中，創(chuàng)建了一種類似于自然堿基T的堿基對，除了存有的其他差異外，只是用氟替代了氧原子。被稱之為二氫甲苯（簡稱F）的新堿基結構，幾乎與T堿基形狀完全一樣，只是阻止了氫原子的游離性。

但該團隊不久便發(fā)現(xiàn)，處于氫鍵位置上的F是非常令人擔心的，聚合酶仍將其看成是堿基T：在DNA復制過程中，他們在F的對面插入了A，反之亦然。實驗顯示，只要堿基形狀正確，聚合酶就能準確地跟蹤到它（按照庫爾的說法，如果鍵位合適就會奏效）。

然而，其他科學家們則對此持懷疑態(tài)度。他們對氫鍵念念不忘，以至于很難設想將它替換掉。他們質(zhì)問庫爾：為什么DNA復制不需要氫鍵，那可是螺旋的中心。不用氫鍵，就得考慮通常與親水性相關的親水分子等屬性物質(zhì)。而庫爾團隊開發(fā)的F和其他形狀的仿制堿基都是疏水型的——能夠讓堿基在雙螺旋結構中保持穩(wěn)定。

在庫爾的基礎上，斯克里普斯研究所的弗洛伊德·羅姆斯伯格（Floyd Romesberg）擴展了疏水堿基的全部技能。從苯和萘分子開始，他的團隊創(chuàng)建了各種衍生品。在完全看不出有類似自然堿基配對的跡象中，包括在復制階段的實驗過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)了兩種矛盾需求。在堿基關鍵位置上的酶必須具備疏水性才能將堿基插入DNA，如果酶繼續(xù)參與鏈的復制，則還得接受氫鍵的存在。

羅姆斯伯格團隊對60個最精確有效復制的配對堿基進行過3 600次的篩選，其中MMO2和SICS過關。據(jù)羅姆斯伯格介紹，在關鍵位置上，MMO2和SICS游走在疏水與親水之中。但挑戰(zhàn)依然存在，研究人員發(fā)現(xiàn)，當DNA進行到上億次復制后，就會保持非自然狀堿基配對。如果酶的非自然與自然配對太過頻繁，新堿基字母最終將會消失。

來自日本橫濱理化研究所系統(tǒng)與結構生物中心的化學家平尾一郎，受《雙螺旋結構啟蒙》一書的影響，對創(chuàng)建非自然堿基產(chǎn)生了濃厚興趣并為此展開了形狀設計。事后他們發(fā)現(xiàn)降低了堿基錯配率。2011年，平尾團隊報告稱，含非自然疏水堿基對的DNA （被稱之為Ds和Diol 1-Px）能獲得99.7%至99.92%的高保真復制。同年，本納團隊發(fā)現(xiàn)了另一種非自然堿基對P和Z，通過氫鍵連接，他們實現(xiàn)了99.8%的復制。7月，羅姆斯伯格團隊報告稱，優(yōu)化后的堿基對，NaM和5SICS的復制率達到了99.66-99.99%，與自然DNA松散率重疊。

2012年早些時候，英國劍橋分子生物醫(yī)學研究會實驗室的生化學家菲利普·霍利格爾（Philipp Holliger）及其同事展示了他們的研究方法，稱使用XNA核酸，DNA或RNA中通常所含糖已經(jīng)被其他環(huán)結構所替代。該團隊生成了數(shù)十億的自然聚合酶突變體，然后向這些突變體施加選擇性壓力促其進化（使DNA轉(zhuǎn)變成XNA），從中比較最具效力的突變體，以此找出最佳者。

霍利格爾指出，聚合酶的形狀就像是一只手，展開后的大拇指則為需要發(fā)生改變的關鍵區(qū)域。該區(qū)域在酶退出后與DNA接觸，并有可能起到最終檢查點的作用，以確信合成正確。霍利格爾團隊還設計了一種能將XNA轉(zhuǎn)回DNA的酶。

很難被撬開的“聚合酶堅果”

到目前為止，盡管在體外做了大量的修飾，但研究人員還是希望能找到可以讀取和處理信息的有機體。據(jù)特拉華州紐瓦克市微生物射流技術公司的菲利普·馬爾利耶（Philippe Marlière）2011 年報告，工程菌是現(xiàn)今已知最新的將非自然堿基融入生命系統(tǒng)的科研成果。他和團隊成員用氯尿嘧啶取代T堿基對——一種RNA堿基尿嘧啶，其中的氫鍵被氯替代——他們開發(fā)了一種自動系統(tǒng)，能將堿基逐漸引入到應變的大腸桿菌中，使其自身不能制造胸腺嘧啶。約5個月后，有些細菌在沒有氯尿嘧啶的狀態(tài)下難以存活，約90%的胸腺嘧啶因此從基因組中被“抺掉了”。

本納、羅姆斯伯格和平尾都從事過誘導細胞接受其堿基對的實驗工作，即使細胞接受了堿基對，但它們在執(zhí)行信息處理時（如重組等）也會出現(xiàn)麻煩。本納以前的研究生、來自得克薩斯大學的生化學家安德魯·艾靈頓（Andrew Ellington）稱：“這件事并沒有這么簡單，我認為要花大力氣才能有建樹。”

研究究竟會進展到什么程度，目前尚不得而知。羅姆斯伯格稱，僅僅靠疏水堿基開發(fā)有機體基本上不可行，因為細胞內(nèi)含有太多的元素，且這些元素已經(jīng)適應了與自然堿基的合作。至于將非自然主鏈與非自然堿基整合為一個有機體想法，據(jù)本納的說法，現(xiàn)在尚未從理論上獲得足夠的支持。

研究人員堅信，即使非自然堿基對在細胞中不起作用，他們?nèi)匀豢梢酝度雽嶋H使用。位于紐約州塔里敦的西門子醫(yī)療診斷公司和得克薩斯州奧斯汀的路明克斯公司，已經(jīng)開始使用iso-C和iso-G堿基對用于改善對病毒感染的檢測和監(jiān)測。例如，使用一系列能與患者血樣中HIV-1 RNA結合的相關DNA序列，或在某些序列中插入非自然堿基能阻止該序列與血樣中的隨機DNA序列結合，HIV-1 RNA在較低水平能更容易被檢測到。

DNA和RNA分子還可以發(fā)生催化反應，并能作為藥物來使用：開發(fā)者可以向堿基對附著化學基團以此提高序列性能，非自然堿基將會使其更容易命中序列中的特定位點，而不用浸透每個C或G。例如，羅姆斯伯格團隊已經(jīng)在DNA中的非自然堿基對添加了連接基團，允許與各種分子進行精確連接。目前該團隊正試圖設計序列，以獲得比自然同類物更有效的催化反應。

拋開實際應用不說，研究人員仍將受到庫爾稱之為“科幻吸引”的影響，即要對生物系統(tǒng)進行重新設計，甚至要對其進行所謂的完善。地球早期生命的形成可能是由遺傳字母決定的，這是因為它們受到了適合的化學物質(zhì)的“強迫”而繁衍開來。舉例來說，腺嘌呤很容易從氫化氰中獲得，可能在生命的初期就已經(jīng)存在了，一旦有機體具備了一套可供工作的堿基，或許它們就被鎖進了這個系統(tǒng)。本納強調(diào)，一般人們都認為RNA優(yōu)于DNA，其實這并不是支持生命存在最有力的證據(jù)，最好的證據(jù)可能存在于生命誕生之前的地球上。

如果核酸在另一個星球上單獨出現(xiàn)的話，它們會有相同的堿基對嗎？本納認為不可能。除非有機體受到了相同的限制。但可能適用于某些通用規(guī)則，例如，帶重復電荷的主鏈最初看似有這些傾向，但實際卻在阻止折疊。這是為了在信息傳遞過程中（如在復制時），確保帶有不同堿基序列鏈的行為能保持一致。盡管有些研究人員在替代主鏈上獲得過成功，但許多嘗試的結果是，在生成一個螺旋時，其分子不是太過僵硬，就是太過松散?；衾駹栒J為，化學變化存有一個限度的問題，而引導適度才是致勝的關鍵。

不能因為受到限度的影響就裹足不前。為什么是生物化學主宰了生命的形式，它是唯一可能的答案嗎？相信不是的。要想揭示出謎底，只有繼續(xù)動手再實驗。