摘要：生命的核心是核酸与蛋白质之间复杂而密不可分的相互作用，但是这种关系的起源仍是一个未解之谜。通常情况下，核酸（如：RNA）负责遗传信息的存储与传递，而蛋白质是生命活动的“主力”，负责催化反应（酶）、结构支持、运输等功能。然而，一个根本性的“因果悖论”困扰了生命起

副标题：硫酯介导的水相RNA氨基酰化与肽基-RNA合成

生命的核心是核酸与蛋白质之间复杂而密不可分的相互作用，但是这种关系的起源仍是一个未解之谜。通常情况下，核酸（如：RNA）负责遗传信息的存储与传递，而蛋白质是生命活动的“主力”，负责催化反应（酶）、结构支持、运输等功能。然而，一个根本性的“因果悖论”困扰了生命起源研究数十年：现代生命的蛋白质合成（翻译）是由核糖体（一种核糖核蛋白复合物）完成的（图1a），而形成核糖体所需的蛋白质本身，又必须由细胞内已有的核糖体来合成。这就引出了“先有鸡还是先有蛋”的难题：在蛋白质出现之前，在没有生物系统的情况下最初的、原始的蛋白质合成系统是如何建立的呢？另一方面，我们都知道为了进行核糖体肽合成，转移RNA（tRNA）必须在其2',3'-二醇基团上被氨基酰化，因此，RNA在水中的选择性氨基酰化是解释蛋白质生物合成起源所必须要解决的关键挑战。但是，模拟早期地球环境，在非酶促、水相条件下高效且选择性的进行RNA氨基酰化仍颇具挑战。先前的研究尝试使用高反应活性的氨基酸亲电试剂（如：氨基酰基磷酸酯（2）、氨基酰基咪唑（3）和N-羧基内酸酐（NCAs，4）），但是这些亲电试剂在水中极不稳定、极易水解，更关键的是它们缺乏选择性，会与体系中的任何亲核试剂（如：水、其它氨基酸的氨基）进行反应，导致无法控制的氨基酸聚合和快速失效，进而无法满足“编码”肽链合成所必需的选择性。

近日，英国伦敦大学学院的Matthew W. Powner教授课题组另辟蹊径，将目光投向了生物体中另一类古老且与能量代谢和生物合成密切相关的分子——硫酯（Thioesters），该分子是辅酶A（CoA）的核心功能结构，驱动脂肪酸、聚酮以及非核糖体肽的合成。他们开发了一种高效且选择性的水相 RNA 氨基酰化方法，即氨基酰基硫酯（Aminoacyl-thiols，1）在水中选择性地与RNA二醇（而非胺类亲核试剂）进行反应，实现氨基酰化（而非非编码肽键形成）。该反应能够耐受多种侧链（包括Ala、Arg、Asp、Glu、Gln、Gly、His、Leu、Lys、Met、Phe、Pro、Ser和Val），特别是Arg，其氨基酰化被侧链亲核催化所增强。此外，本研究系统性地论证了氨基酸硫酯在水相中实现RNA选择性氨基酰化的卓越能力，并进一步展示了如何通过切换活化策略实现肽基-RNA的一锅法合成。值得一提的是，作者还模拟在早期地球可能存在的条件下，从化学角度将生命的氨基酸与RNA联系起来——这是自20世纪70年代初以来科学家们一直未能实现的成就。相关成果发表在Nature 上。

图1. RNA氨基酰化。图片来源：Nature

首先，作者发现同时具有亲电（硫酯羰基）和亲核（游离α-氨基）基团的两亲性分子氨基酰基硫酯（1）在水中非常稳定（图2b），其与胺（包括其它氨基酸、氨基乙腈、氨基酰胺）的反应性极低（产率n-SH; 11）形成了鲜明对比，后者在相同条件下近乎定量形成肽键；而与硫试剂（如：H2S、半胱氨酸（7Cys）、硫代丙醇（5f））进行反应时则具有优异的产率。其次，研究显示丙氨酸硫酯（如：Ala-Set 1）在pH=6.5的中性水溶液中能够高效且选择性地与核糖核苷16（如：腺苷、尿苷）的2',3'-cis-二醇进行反应（图2c），并以高产率生成氨基酰基核苷产物17，进而表明该反应具有显著的选择性：1）优于水，在水量远超过核苷浓度（约3000倍）的情况下仍能有效发生；2）优于胺，尽管氨基酰基硫酯自身带有游离氨基且胺的浓度远高于二醇，肽键的形成仍被有效抑制；3）反应优先发生在核糖的2'-或3'-羟基上，而非空间位阻更小的5'-伯羟基，这与有机合成中常见的规律相反。另外，作者还研究了核苷磷酸化对氨基酰化的影响，结果显示核苷-5'-单/二/三磷酸（NMP/NDP/NTP）的酰基化效率远低于核苷16，这是因为磷酸化提高了二醇的pKa，进而抑制了NXP的氨基酰化。这提供了一个内在的调控机制：只有完整的、具有游离2',3'-二醇的RNA末端才能被有效酰化，而RNA降解产生的3'-或2'-磷酸酯末端则不能，避免了副反应。

图2. 亲核试剂与丙氨酸硫酯的反应性。图片来源：Nature

随后，作者将研究从核苷水平推进到寡核苷酸水平时，观察到了一个关键现象：单链RNA（ss-RNA）会发生多位点的、非选择性的内部2'-OH氨基酰化（图3a），无法模拟生物学中特异的3'-末端酰化；而当RNA形成Watson-Crick双链（ds-RNA）后，情况发生了根本性转变，即双链结构极大地抑制了内部2'-羟基的反应性，但同时保留了末端2',3'-二醇的高反应性，从而实现了高度选择性的3'-末端氨基酰化（图3b）。这一发现表明RNA的双链化能力本身就能指导其自身的位点选择性氨基酰化，这与tRNAs在核糖体中的结构状态相呼应。

图3. 寡核苷酸在水中的选择性氨酰化。图片来源：Nature

如图4a所示，带有简单或亲脂性侧链的氨基酰基硫醇（如：1eGly、L-1eLeu、1ePro）、β-侧链（1eVal）、弱亲核性侧链（如：L-1eHis、L-1eGlu、L-1eGln、L-1eMet、L-1eSer）的氨基酸硫酯均能顺利实现RNA的氨基酰化，以中等至良好的产率形成相应的氨基酰基核苷17，特别是精氨酸（Arg）的表现尤为突出，其硫酯不仅能高效地氨基酰化RNA，而且还能通过侧链胍基进行前所未有的分子内亲核催化并形成一个高反应活性的环状中间体（33），从而显著加速氨基酰化反应（图4b）。这种由氨基酸侧链自身介导的催化模式，为酶出现之前的前生命时代如何提高反应效率提供了全新的思路。此外，当末端带有四个经典核糖核苷酸（A、U、C和G；ON5、ON14-ON17）的ds-RNAs与相同的硫酯进行反应时，观察到类似的氨基酰化产率（图4c），这表明硫酯介导的氨基酰化倾向于以序列依赖的方式将多种蛋白氨基酸带到ds-RNA上。

图4. 氨酰硫醇侧链范围。图片来源：Nature

如果氨基酸硫酯是解决方案，那么在前生命环境中它们从何而来？如图5a所示，作者证明了多种前生命环境中可能存在的活化氨基酸都能与硫醇（如：辅酶M、β-巯基丙酸）在水中高效进行反应并生成相应的氨基酸硫酯，特别是N-羧基内酸酐（NCAs）与硫醇反应近乎定量，而且抑制了NCAs自身的水解和聚合，这说明硫醇催化RNA-2′,3′-二醇的氨基酰化是可行的。此外，作者将Ala-NCA（L-4Ala）与硫醇5c和腺苷（16A）在水中孵育，16 h后以35%的产率得到丙氨酰腺苷17AAla（图5b），而无硫醇时没有观察到核苷氨基酰化。如图5c所示，天冬氨酸（Asp）进行反应时具有优异的α-选择性，即使在α-和 β-羧酸盐的双重活化下亦是如此，这说明天然蛋白质的α-氨基酰化具有显著的动力学选择性。另一方面，α-氨基腈被认为是氨基酸前生物合成的前体，作者发现氨基腈（8Ala）与3-巯基丙酸（5b）在冷冻的磷酸盐缓冲液中进行反应时能以良好的产率（48%）生成氨基酸硫酯（图5d），这是因为冷冻不仅提供了反应所需的微酸性环境（pH~3-4），还能通过浓缩效应使极稀的溶液变得有效。类似地，多种氨基腈（8Arg、8Gly、8Leu、8Lys、8Met、8Pro和 8Ser）都能很好地转化为相应的硫酯1bAaa（产率：40-64%），但是8Phe（21%）和8Val（14%）的转化率却较低。

图5. 硫酯介导的氨酰核苷合成。图片来源：Nature

通常情况下，所有蛋白质的合成都遵循核糖体肽合成过程，这是一个高度保守的两步过程（图1a）：即氨基酰化和肽键形成。基于此，作者尝试在水相中一锅法合成肽基-RNA 40，研究表明腺苷16、氨基酰基硫酯1和肽硫代酸11一起孵育后能够选择性地形成氨基酰基-RNA 17，17与11、铁氰化物在pH=6.5的条件下进行反应便可以接近定量的产率得到肽基-RNA 40（图6），并且在合成过程中没有观察到外消旋化。

图6. 水相中一锅法合成肽基-RNA。图片来源：Nature

总结

Matthew W. Powner教授课题组首次实现了在水相、中性pH、非酶促条件下对RNA进行高效、高选择性、广谱氨基酸兼容的氨基酰化，解决了一个困扰该领域数十年的难题。此外，作者提出了“硫酯世界”介入RNA世界的全新模型，利用氨基酸硫酯恰到好处的反应性，在酰化RNA和抑制肽键形成之间取得了完美平衡。同时还揭示了RNA双链结构在引导3'-末端选择性酰化中的关键作用，以及精氨酸侧链的分子内催化机制，为前生命催化提供了新范式。成功将NCA、氨基腈等前生命重要分子与硫酯合成途径链接，特别是冷冻磷酸盐浓缩模型，为该化学过程在前生命环境中的发生提供了坚实且可信的场景。通过硫酯与硫酸/氧化剂体系的切换，实现了对RPS两个关键步骤的正交化学控制，并演示了一锅法合成肽基-RNA，这是对非酶促仿生合成的一个里程碑式的演示。发现磷酸化抑制酰化，意味着RNA水解产物（磷酸酯）不会被错误酰化，为原始系统中保持“编码”保真度提供了内在的化学机制。[1-2]

硫酯，作为现今生物代谢的核心，可能早在蛋白酶出现之前，就在介导核酸与肽的共进化中扮演了核心角色。本文提供了一种全新的、无需合成酶的RNA功能化策略和肽链合成方法，可能在生物工程和药物开发中找到应用。当然，这仅仅是第一步，未来的研究需要探索如何迭代这一过程以合成更长的肽链，以及如何将氨基酸序列的选择性与RNA模板（编码）联系起来。但本文研究无疑已经打破了最有挑战性的屏障，为最终破解生命起源照亮了道路。[1-2]

Thioester-mediated RNA aminoacylation and peptidyl-RNA synthesis in water

Jyoti Singh, Benjamin Thoma, Daniel Whitaker, Max Satterly Webley, Yuan Yao, Matthew W. Powner

Nature, 2025, 644, 933-944, DOI: 10.1038/s41586-025-09388-y

相关报道：

[1] New step towards solving how proteins formed at life's origin

[2] Origins of life: the molecules that could have unlocked peptide synthesis

来源：X一MOL资讯