寫在前面

? ? 怎么說呢，這個系列就是把自己的homework拿出來曬一曬，也就是圖一樂丟人現(xiàn)眼一下，因為本人能力和知識范圍有限，難免會有錯誤，請諒解一下，也就是僅供參考。引文都有標注，如果有侵權的可以聯(lián)系我。歡迎各位大佬多交流，提問題、指錯誤。要是能關注一波那就更好了！?

關于非規(guī)范堿基的思考與展望

——ZTCG: Viruses expand the genetic alphabet閱讀心得

1 非規(guī)范堿基

??1953年，克里克和沃森在《自然》上發(fā)文揭示了DNA的雙螺旋結構，確定了DNA雙鏈結構中最基本的AT、CG堿基對互補配對的現(xiàn)象。

??但隨著科學技術的發(fā)展，人們陸續(xù)在自然界發(fā)現(xiàn)一些不同于最普遍的ATCG這四大堿基的非規(guī)范堿基的存在，它們與四大堿基功能結構大致相似，甚至在某些DNA鏈中完全替代了某類堿基。此外，人們也人工合成了一些非規(guī)范堿基對，并證實它們與其它堿基對一樣也能參與遺傳信息的流動。

1.1二氨基嘌呤——Z堿基

??1977年，Z堿基首次在一篇發(fā)表于《Nature》的文章中露面。當時，蘇聯(lián)科學家分析了一種能感染藍綠藻的S-2L噬菌體的基因。根據(jù)光譜分析數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)其中存在除T、C和G之外的另一種堿基，并通過酸水解實驗證實這種未知的堿基為二氨基嘌呤（Z）。發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象后，他們通過酶解實驗進行了重復驗證，并確認S-2L噬菌體的DNA確實是由ZTCG四種堿基組成，其中Z與T的含量接近，在DNA中配對取代了A的位置。（Fig1）在dZ-DNA中，Z:T堿基對由三個氫鍵組成，與A:T相比，鍵數(shù)增加，因此穩(wěn)定性提高。這使得dZ-DNA與標準DNA相比,有三個主要性能增強：（1）熱穩(wěn)定性:dZ-DNA在較高的溫度下更穩(wěn)定；（2）序列特異性:單個dZDNA鏈在結合互補DNA序列時更準確(4);（3）抗核酸酶性:dZ-DNA抗核酸酶降解，核酸酶識別和切割含有A的特定DNA序列。同時dZ-DNA的剛性、熱穩(wěn)定性和力穩(wěn)定性都較普通DNA有所增加。[1-2]

此外，有研究發(fā)現(xiàn)這些噬菌體可以利用自身攜帶的PurZ(2-氨基腺苷琥珀酸合成酶)將宿主細胞內(nèi)的dGMP轉(zhuǎn)化為dZMP，研究人員還發(fā)現(xiàn)了細菌編碼的z特異性DNA聚合酶DpoZ用于將Z堿基插入到DNA序列中。[2]

1.2次黃嘌呤——I堿基

在細胞遺傳信息流動的過程中，非常偶然的情況下AMP和GMP的合成前體——次黃嘌呤核苷酸（IMP）也能出現(xiàn)在核酸鏈中，尤其是在tRNA反密碼子區(qū)的最后一個堿基中。I堿基非常萬能，它能和U、C和A堿基都形成互補配對，被稱為wobble pairing（擺動配對），搖擺配對的存在有助于細胞翻譯過程速率的提升。[4]

1.3人工合成堿基——X、Y堿基

2014年，加利福尼亞Scripps研究所的化學教授Floyd Romesberg及其同事創(chuàng)造了新的人工合成核苷酸對：X和Y。（Fig3）X核苷酸和Y核苷酸在結構上與普通核苷酸相似，但人造的X-Y堿基互補配對是通過分子間的疏水作用而形成的，而不是像天然堿基對那樣通過氫鍵連接。

緊接著2018年，該團隊成功將X、Y堿基將人工堿基對X、Y導入綠色熒光蛋白的基因，把其非關鍵區(qū)域上一個密碼子TAC（負責編碼酪氨酸）替換成AXC。接下來，他們創(chuàng)造了一個含有反密碼子GYT的tRNA，可攜帶名為PrK的非天然氨基酸。然后，研究小組將在DNA中保留有人工合成核苷酸的細菌內(nèi)部進行表達。最后這種微生物翻譯出了含有非標準氨基酸的綠色熒光蛋白。[4-5]

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2 思考與展望

??非規(guī)范堿基的發(fā)現(xiàn)，使我們深刻認識到生命世界底層代碼的深度可改變性，不在是對生命原有代碼的增刪改修，而是徹底顛覆底層代碼，實現(xiàn)徹底的人造生命的可能性。其次，ZDNA相較于一般DNA的優(yōu)越性能或許可以用于基因編輯，例如更穩(wěn)定的載體構建，定向A堿基的基因沉默，賦予DNA抗核酸酶性等，或者將I堿基的特殊性應用于DNA雙鏈的合成與DNA雜交。此外，人工堿基的合成和參入或許能逐漸改造生命，類似于人造生命辛西婭一般的制作過程，一步步的替換原生命體的每一個基因，并設計出其生命活動所必須的特殊分子，達到真正的人造生命。

?總而言之，不管是天然非規(guī)范堿基的繼續(xù)發(fā)掘還是人造堿基的繼續(xù)發(fā)展，都是極具發(fā)展空間的，在此的每一項重要發(fā)現(xiàn)都會影響我們對基因的認識，或許將二者有機地交叉融合，可以帶給我們更多的驚喜。

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參考文獻：

[1]?Grome MW, Isaacs FJ. ZTCG: Viruses expand the genetic alphabet. Science. 2021 Apr 30;372(6541):460-461. doi: 10.1126/science.abh3571. PMID: 33926938.

[2]?https://huanqiukexue.com/a/qianyan/shengwu__yixue/2021/0511/31541.html

[3]?Zhou Y, Xu X, Wei Y, Cheng Y, Guo Y, Khudyakov I, Liu F, He P, Song Z, Li Z, Gao Y, Ang EL, Zhao H, Zhang Y, Zhao S. A widespread pathway for substitution of adenine by diaminopurine in phage genomes. Science. 2021 Apr 30;372(6541):512-516. doi: 10.1126/science.abe4882. PMID: 33926954.

[4]?https://zhuanlan.zhihu.com/p/36450470?

[5]?Zhang Y, Lamb BM, Feldman AW, Zhou AX, Lavergne T, Li L, Romesberg FE. A semisynthetic organism engineered for the stable expansion of the genetic alphabet. Proc Natl Acad Sci U S A. 2017 Feb 7;114(6):1317-1322. doi: 10.1073/pnas.1616443114. Epub 2017 Jan 23. PMID: 28115716; PMCID: PMC5307467.

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