基因高分子RNA和DNA是所有生物系統中資訊儲存的中心，因此形成了關於生命起源的大多數假設的核心。這些理論中最突出的是"RNA世界"假說，該假說認為，在生命誕生之前，RNA曾經是地球上主要的資訊載體和生物化學反應的催化劑。然而，過去幾年的研究表明，第一個遺傳系統可能是基於同時包含RNA和DNA核苷酸的核酸分子，然後這些核酸分子逐漸自我分離成今天的RNA和DNA。Xu等人在《自然》（Nature）雜誌上發表的文章為RNA-DNA混合的世界提供了有趣的實驗支援。

原始的地球化學過程被認為導致了核酸的構建塊的形成--核苷酸和核苷(缺少磷酸基的核苷酸)。在適當的條件下，這些構建塊聚合並最終在沒有現代蛋白酶幫助的情況下進行復制。

來自同一研究小組的Xu等人先前發現了一個由紫外線導致的反應網路，可以合成RNA中發現的兩個標準的核苷：尿苷(U)和胞嘧啶核苷(C)，它們統稱為嘧啶。這些反應起始於氰化氫(HCN)及其衍生物，這是一些早期地球上可用的簡單分子。這個反應網路的進一步研究和發展提出了一種有趣的可能性，即蛋白質和脂質前體可能與核苷類前體同時出現--從而提供了細胞生成所需的三種主要分子。然而，利用相同的HCN為基礎的化學，補充另兩種標準RNA核苷(腺甘酸和鳥甘酸，稱為嘌呤)的形成的路線仍然難以找到。]

在目前的工作中，Xu等人重新考察了在之前建立的合成U和C的反應網路中作為中間體而產生的化合物。他們確定了一個新的通路，在這個通路中嘧啶-核苷合成的關鍵中間體核糖體-氨基唑啉(RAO)，也可以轉化成兩個嘌呤DNA核苷，脫氧腺苷(dA)和脫氧肌苷(dI，不是現代DNA中發現的標準核苷之一)。至關重要的是，這些DNA核苷可以與U和C形成鹼基對。因此，這四個核苷--U、C、dA和dI--構成了一個完整的"字母表"，在生命起源前的RNA-DNA世界中，它們可以用核酸編碼遺傳資訊。

重要的是，dA和dI的合成可以與U和C的合成平行進行，生成產量和比例適合於構建遺傳系統的四種產物的混合物。這種相互相容性的兩個合成途徑增加反應網路作為生命起源以前的系統的合理性--如果這兩個合成是不相容的，那麼就需要設法解釋他們如何分開進行合成並最終在一起組裝。值得注意的是，在一定的反應條件下，U和C只能在作為dA和dI直接前體的硫安氫嘌呤化合物存在的情況下存在。

許多有機分子可以以左旋和右旋的形式產生，稱為對映體，它們是彼此的映象。然而，現代的核苷酸及其構建塊都具有相同的對映體形式。生命起源研究的主要困難之一是解釋單對映體是如何從簡單的前體分子中產生的，這些前體分子沒有旋向性，可能在生命起源前的地球上形成。Xu和他的同事的嘌呤合成在這方面很有吸引力，因為它對現代生物學中觀察到的核苷的對映體和其他異構體具有很高的選擇性。

在生物起源前聯合合成嘧啶和嘌呤核苷和核苷酸的方法已被報道。這些途徑需要化學上和對映異構上的純糖作為起始原料，這就提出了一個問題，即提供這些起始原料需要其他的，往往是未知的生命起源前的過程。相比之下，Xu等人報道的對映體選擇性來源於RAO， RAO可以從起始物質幾乎為外消旋體的反應中結晶為單一對映體(即起始物質由幾乎相等的對映體混合物組成)。

核苷的合成也會導致核苷的鹼基以錯誤的方向附著在糖上。在Xu和同事的合成途徑中，紫外線誘導的化學還原發生，導致這些不需要的副產品的顯著選擇性破壞，最終只產生嘌呤的生物相關異構體。考慮到早期地球受到紫外線的強烈照射，這種反應的顯著選擇性表明了一種可能的機制，即潛在的核酸異構體的總數減少到今天在自然界觀察到的異構體的數量。

Xu和他的同事的工作支援了早期分子進化的觀點，這與傳統的"純"RNA世界假說有所不同，並且可能為從混合和複雜的化學環境中尋找生命起源提供了一條更合理的途徑。考慮到缺乏"化學化石"，以及地球早期的確切環境和化學成分的不確定性，我們不可能說清到底是哪些化學途徑發生了。相反，我們必須確保提出的系統儘可能地符合我們對在生命起源前的地球上實際發生的事情的理解--不僅是化學，還有反應網路的整體複雜性以及它們與其他過程的相容性。

在目前的工作中，作者們證明了這四種核苷確實可以透過在早期地球上發生的過程(如水解、乾燥和紫外線照射)生成，並提供了合理的合成途徑，為反應提供所需的起始物質。然而，就所有的生命起源前的合成而言，仍然難以想象實際的微環境能夠支援許多特定的化學轉變，而這些轉變是大量產生生命的基石所必需的。

儘管如此，Xu及其同事的研究令人印象深刻地展示了一個完整的遺傳字母表是如何產生的。無論我們認為生命是由RNA單獨進化而來，還是由更復雜的核酸混合物進化而來，系統層面的思考尋找相互相容的生命起源前的化學路徑，對於開發生命起源第一階段的真正可信的模型至關重要。

參考資料：

How DNA and RNA subunits might have formed to make the first genetic alphabet

Xu， J.， Chmela， V.， Green， N. et al. Selective prebiotic formation of RNA pyrimidine and DNA purine nucleosides. Nature 582， 60-66 (2020). https：//doi.org/10.1038/s41586-020-2330-9

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