于涵洋课题组在非天然核酸酶方面取得新进展

baozhang

核酸是生命体的基本组成成分，包括DNA和RNA。其中细胞内的RNA既可以存储和传递遗传信息，又能够催化生物化学反应。RNA具有丰富的生物功能多样性，促使研究生命起源的科学家提出了“RNA世界假说”，认为在地球生命演化的早期，存在仅依赖于RNA的生命形式。但是RNA是不是唯一可能的遗传物质呢？为了探索这个问题，Eschenmoser等合成了一系列RNA类似物并研究了其基本的物理和化学性质。在这项研究中，他们发现了苏糖核酸（threose nucleic acid，TNA）能够与互补的RNA、DNA或TNA链遵循碱基配对原则形成反向平行的双螺旋结构。而且，考虑到TNA由更简单的苏糖组成，所以TNA被视作演化过程中一种可能的前RNA遗传物质。作为前RNA遗传物质，需要TNA具备形成功能性高级结构的能力。已有工作证明了TNA可以折叠成具有配体结合能力的高级结构，那么TNA是否具有催化活性呢？
        近日，南京大学现代工学院于涵洋教授课题组通过体外筛选的方法，鉴定了具有RNA连接酶活性的TNA分子T8-6。该TNA酶结合两个RNA底物分子，催化左侧底物的2’羟基和右侧底物的5’三磷酸之间发生反应，形成一个新的磷酸酯键（图1）。T8-6在pH 9.0和40 mM 镁离子反应条件下，表观反应速率常数为0.01 min-1。T8-6的催化活性依赖于镁离子，在其他二价金属离子如锰离子或锌离子存在时，也有一定的催化活性。

图1 TNA酶催化RNA连接反应

        通过对不同序列RNA底物的测试，发现T8-6要求连接位点附近碱基为UA|GA，而对底物分子上其他位置的序列变化具有较好的兼容性。最后，T8-6可用于制备和研究含2’-5’磷酸酯键的功能核酸。例如在锤头核酶和Broccoli核酸适体的特定位点引入2’-5’连接，其功能受到了不同程度的影响，这展示了T8-6用作分子工具的潜力。

图2 TNA酶用于制备含2’-5’连接的锤头核酶

        总结而言，这一研究通过体外筛选获得了第一个具有RNA连接酶活性的TNA分子，为TNA作为前RNA遗传物质提供了实验证据。另一方面，该TNA能够用于制备含2’-5’连接的RNA，为核酸化学研究提供了新的分子工具。
       这一成果近期发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上，王瑶是该文章的第一作者，于涵洋教授是文章的通讯作者，王月瑶、宋东帆、孙昕、张泽、李欣彤博士和李喆教授对该工作亦有贡献。
       原文标题及链接：
       A Threose Nucleic Acid Enzyme with RNA Ligase Activity
       https://doi.org/10.1021/jacs.1c02895


        文章来源：南京大学
        于涵洋教授2007年本科毕业于北京大学生命科学学院，2013年博士毕业于亚利桑那州立大学生物化学专业，之后在耶鲁大学从事博士后研究工作，2015年加入南京大学现代工程与应用科学学院生物医学工程系，开展独立工作。于涵洋实验室主要研究方向是人工核酸的化学生物学和合成生物学，筛选鉴定功能性非天然核酸分子，探索在人类重大疾病诊疗方面的应用。于涵洋教授的研究成果已发表在化学类期刊NatureChemistry, J. Am. Chem. Soc.和ChemicalScience等杂志上。