DNA和RNA序列的无酶遗传复制

在没有酶的情况下复制短DNA或RNA序列是一种引人入胜的反应，已经在益生元化学的背景下进行了研究。它涉及在引物的末端掺入核苷酸并通过碱基配对进行指导。该反应在含水介质中发生，并且在引物的亲核基团攻击后导致磷酸二酯形成。本综述将讨论该反应的两个方面。一个是磷酸盐的活化，驱动了另外一个endergonic反应。另一个是对无酶引物延伸的改进的机理理解，其导致定量动力学模型预测在测定的时间过程中反应的产率。为了成功建模反应，模板效果的强度，废单体的抑制作用和化学步骤的速率常数必须通过实验确定。尽管对长链DNA或RNA的高保真复制仍然存在挑战，但现有数据表明，无酶引物延伸是比以前认为的更强大的反应。

关键词：碱基配对; 脱氧核糖核酸; 无酶引物延伸; 核苷酸; 寡核苷酸; 复制; RNA

遗传信息的复制对所有生命系统都至关重要。在细胞中，这个过程是由在其核心具有聚合酶的酶机制催化的[1]。聚合酶不仅催化DNA的复制，还参与基因的修复和转录[2]。考虑到酶会催化导致蛋白质合成的过程，因此有必要问一下，当地球上出现生命时，什么会开始复制。可以在RNA中找到鸡/卵复制困境的解决方案，因为寡核苷酸和多核糖核苷酸可以编码遗传信息并且可以催化生化反应作为核酶。30多年前，人们观察到RNA链催化较长寡核苷酸的剪接或连接[3,4]。古代核酶可能起到聚合酶的作用[5]，诱导活化的核糖核苷酸的寡聚化或第一个RNA基因组的复制。但是核酶通常太长而不可能在一步中从随机序列中出现。简单的形式可能利用了共晶相的高离子强度[6]，但它们的演化必须先于简单的事物。在基于RNA的复制的非常简单的版本中，遗传复制可能在缺乏蛋白酶和核酶的情况下发生，仅依靠碱基配对进行分子识别和化学反应以驱动水性介质中磷酸二酯键的形成。这就是通常所说的“无酶复制”（图1）。

[1860-5397-14-47-1]

图1：通过一个核苷酸的RNA引物的无酶模板指导延伸。B =核碱基，LG =离去基团。

遗传聚合物的无酶复制研究可追溯到50多年前[7]。经典研究通常集中于连接反应，包括自身互补序列的模板连接[8,9]。特殊系统，如结合三链体序列[10]已经产生了一些令人印象深刻的结果，并且已经对基于连接的复制领域进行了综述[11]。这里将不再讨论连接反应，因为它们的范围在序列方面受到限制，而基于单体的复制可以用于任何给定的序列，至少原则上。相反，我们将专注于使用单核苷酸进行复制，早期的例子也可以在20世纪60年代的文献中找到[12]。早期基于单体的复制RNA工作主要集中在同源序列上核苷酸的寡聚化作为模板[13,14]。观察到聚（C）作为模板，鸟嘌呤的2-甲基咪唑内酯作为活化单体（图2）和含有高浓度Mg 2+离子的测定缓冲液[15]的最佳结果。当自动化固相合成的进展使得任何给定序列的寡核苷酸容易获得[16]时，复制反应涉及与模拟这种排列的特定发夹序列结合的引物的延伸成为进行反应的最常见方式[17- 20]。

[1860-5397-14-47-2]

图2：鸟嘌呤-5'-一磷酸的2-甲基咪唑内酯在聚（C）模板上的低聚反应。

在这个简短的描述中，我们将重点关注DNA和RNA模板上的引物延伸反应。DNA序列的复制通常用终止于3'-氨基-2'，3'-双脱氧核苷的引物进行。氨基比天然DNA的羟基更亲核，因此产生快速反应。图3显示了当3'-氨基末端DNA引物延伸时形成的氨基磷酸酯的结构，以及与3'-氨基核糖核苷酸反应产生的氨基磷酸酯键[21]，以及由RNA引物延伸产生的两种区域异构体磷酸二酯终止于天然核糖核苷。我们注意到氨基磷酸酯键是等电子的并且对天然磷酸二酯基本上是等量的。

[1860-5397-14-47-3]

图3：在无酶引物延伸反应中产生的骨架连接的结构：3'-氨基-2'，3'-双脱氧核苷（1）的氨基磷酸酯，3'-氨基-3'-脱氧核苷的氨基磷酸酯（2），3' ，天然核糖核苷（5'-磷酸二酯3），和同分异构的2' ，核糖核苷的5'-磷酸二酯（4）。

在我们的简要介绍中，我们将重点介绍困扰无酶引物延伸的一些问题。其中一个问题是转换不完整。许多化学引物延伸试验在反应完成之前很久就停止，导致延伸和未延伸引物的混合物。然后，我们将讨论自从我们之前关于该主题的论述[22]以来我们对化学引物延伸反应的理解的进展。其他涉及无酶复制的评论存在，读者可以直接阅读这些论文，以便更深入地处理我们账户中仅涉及的问题[13,23-25]。