生命密码必须 ATCG4个字母？新研究发现8个字母，细胞机器也照单全收-虎嗅网

本文来自微信公众号： 返朴 ，作者：顾舒晨，原文标题：《生命密码必须 ATCG 4个字母？新研究发现8个字母，细胞机器也照单全收》

所有地球已知生命DNA均以A、T、C、G四种碱基储存遗传信息。一个根本问题随之而来：四种碱基是物理规律约束下的必然，还是演化的偶然？一定是这四个字母吗？经过多年探索，研究人员在2019年构建出由八种核苷酸组成的Hachimoji DNA；近期研究进一步证实，这套人工的八字母DNA可以被RNA转录。这表明生命的遗传字母表并非固定不变。

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相传在1953年2月28日，剑桥喧闹的老鹰酒馆里，沃森（James Watson）和克里克（Francis Crick）宣布了一个震撼世界的发现——生命密码DNA的结构。DNA由两条反向平行的长链缠绕成双螺旋，链上只有四种碱基：腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）、鸟嘌呤（G）。它们遵循固定的配对法则：A与T相守，G与C相依。浩瀚生命的遗传信息，尽数收纳在这四个碱基变幻无穷的排列之中。这一划时代的发现于同年4月25日刊登在《自然》（Nature）杂志[1]。

此后70余年，ATCG碱基体系已成为基础常识，早已写入了中学教科书。但一个疑问始终萦绕在科学界心头：生命为何偏偏选择四种碱基？这是物理法则约束下的必然，还是生物演化中的偶然？倘若宇宙中存在地外生命，它们是否也必须依靠ATCG这套字母表来书写生命代码？

生命一定要用4种碱基？

孟德尔早在1866年就揭示了遗传的基本规律，到20世纪初遗传学才逐渐走向成熟[5]。此后，无数科学家跨越学科边界，在遗传学、化学与物理学的交汇处摸索前行。物理学家薛定谔在其著作《生命是什么？》中提出了一个影响深远的概念：遗传物质应当是一种非周期性晶体——排列有规律，序列不重复，因而能编码近乎无限的信息[6]。沃森和克里克的发现完美印证了这一预言：无论序列如何变化，四种天然碱基都像四把精确校准的尺子，使双螺旋的直径始终保持约20埃，每圈约10.5个碱基对，螺距稳定。

沃森和克里克的结论留下了一个开放的窗口：每对碱基尺寸相配这样才能保持结构稳定，但一定是这四种吗？所以科学家尝试添加“砖块”——创造新的DNA字母。第一个真正动手造砖的人是化学家史蒂文·本纳（Steven Benner）。1989年，他在苏黎世联邦理工的团队首次报道了人工化学合成的非天然碱基对isoG（异鸟嘌呤）与isoC（异胞嘧啶）可掺入DNA链中[7]；令人惊叹的是，DNA聚合酶认出了这对新砖块，并准确地完成了复制，次年这一成果正式发表于《自然》杂志[8]。这是人类历史上第一次证实生命的字母表可以被扩展，而不仅限于天然碱基。

早期的尝试往往比较粗糙。第一批非天然碱基对就像尺寸有偏差的乐高积木，虽然能拼接在一起，却无法像天然DNA那样稳定、高效地运转。新碱基对要么形状略有偏差，容易出现配对错误；要么它们的化学性质让聚合酶总觉得活性位点“感觉不对”。聚合酶除了核对氢键，还会校验碱基对的空间结构。非天然碱基哪怕只差一个原子，底物复合物也难以进入催化状态，造成掺入效率降低或错配。从1989年到21世纪初，本纳团队在论文被拒、经费紧缩的夹缝中，一点点调整碱基的化学结构。

规矩派、狂野派与实用派

进入21世纪，扩展遗传字母表的研究逐渐分化为三条路线，在探索生命的旅程中，他们彼此竞争，又相互照亮。

本纳走的是“规矩派”路线，使用人工扩展遗传信息系统（AEGIS，Artificially Expanded Genetic Information System）。他相信，既然天然碱基靠氢键和几何形状配对，新碱基也必须遵守同样的规则，只是氢键位置重新排列。2006年起，本纳团队陆续设计出全新的非天然碱基对：P（咪唑并三嗪）与Z（硝基吡啶酮），以及B（异鸟嘌呤）与S（1-甲基胞嘧啶）[9,10]。它们像天然碱基对一样，通过特定的氢键模式连接，尺寸分毫不差。

第二条路线在当时突破传统认知，可谓“狂野派”。斯克里普斯研究所（Scripps Research）的弗洛伊德·罗姆斯伯格（Floyd Romesberg）认为，氢键或许根本不是关键，真正重要的是尺寸互补与疏水堆积。2009年，罗姆斯伯格团队开发出完全没有氢键的NaM:5SICS，像两块形状吻合的油性积木，靠疏水本能紧紧贴合[11]。许多同行质疑，没有氢键的指引，聚合酶怎么可能准确识别？复制时不会滑脱吗？他们用实验证明，NaM:5SICS可以在PCR中高效扩增，错误率极低[12]。2014年，他们更把外来碱基对塞进活的大肠杆菌，实现稳定传代，造出人类历史上第一个“半合成生物体”[13]。从“试管化学”到“活细胞”，这一步跨越了生命与非生命的边界。

还有一条走中间道路的“实用派”。2006年，日本理化学研究所（RIKEN）的平尾一郎（Ichiro Hirao）设计出了Ds:Pa碱基对：Ds是带有噻吩基的大体积杂环，模拟嘌呤；Pa是小体积的吡咯醛，模拟嘧啶[14]。它们同样没有经典氢键，靠精确的尺寸互补与疏水堆积稳定配对。与罗姆斯伯格的系统不同，Ds:Pa从一开始就被设计为“好用”，它不仅能被DNA聚合酶复制，也能被RNA聚合酶转录，用于在蛋白质中位点特异性地掺入非天然氨基酸。

三条路线各自的成功，表明了一个根本性问题——生命的字母表是可以扩展的。但依然有许多难题摆在眼前。首先是效率问题，在这些研究中任何人工碱基的读写速度都还追不上ATCG；其次，这些字母在细胞中还依赖于“人工投喂”，无法自己形成；最后，碱基信息需要通过翻译过程生成蛋白质才能在细胞内发挥功能，而全新人工碱基能否顺利完成翻译，目前尚无定论。

字母表的翻倍时刻

2019年2月22日，《科学》（Science）杂志发表了本纳团队数十年工作的集大成之作“Hachimoji DNA and RNA”，他们在天然A-T、G-C的基础上，将P:Z与B:S两对非天然碱基整合进来，构建出一个由八种核苷酸组成的遗传系统[2]。Hachimoji在日语中意为“八个文字”。同期的报道评论道：“这暗示着，地球上演化出的四种化学物质并没有什么特别的‘魔法’。”[15]

本纳团队测量了94条不同序列DNA的热力学稳定性，证明其解链温度可以像天然DNA一样被准确预测，说明八字母系统是一个真正的“信息系统”，而非化学玩具。他们又解析了高分辨率晶体结构，无论非天然碱基如何排列，双螺旋始终保持B型构象，直径、螺距、沟槽宽度都与天然DNA无异，P:Z和B:S像天然碱基对一样，完美嵌入“非周期性晶体”的骨架中，不引起任何扭曲[2]。

他们还将Hachimoji DNA转录成了Hachimoji RNA。这意味着，人工的生命信息不仅可以被存储，还可以在生命体系中传递和表达。当时他们使用的是工程化的T7 RNA聚合酶，这是一种噬菌体来源的酶，结构简单；而地球上所有细胞，无论细菌还是人类，真正执行转录任务的，都是比T7复杂得多的多亚基RNA聚合酶。这些演化而来的聚合酶，会认可这些外来字母吗？七年之后，这个问题才得到回答。

细胞机器的认可

2026年，加州大学圣地亚哥分校的王栋团队连续发表两篇论文，分别刊登在《美国科学院院刊》（PNAS）和《自然·通讯》（Nature Communications）上，共同回答了细胞里真正负责转录的RNA聚合酶，到底能不能“读懂”人造字母。这两篇论文给出的答案都是肯定的，它们就像两把钥匙，从不同方向打开了同一扇门[3,4]。

发表于《美国科学院院刊》的研究是关于Ds:Pa这一对非天然碱基。王栋团队与平尾一郎团队合作发现，当Ds作为底物面对模板上的Pa时，它可以像天然底物一样完美地嵌入活性位点，与Pa形成“边对边”严密贴合的碱基对，并诱导RNA聚合酶的扳机环（trigger loop）完全折叠成催化活性构象[3]。扳机环是转录机器的核心开关。在天然转录中，只有当正确的底物与模板配对时，这个环才会折叠，将活性位点封闭，启动磷酸二酯键的形成。它像一把化学锁扣，把一个个核苷酸连成RNA链。长期以来，科学家默认氢键是触发这一折叠的关键信号；但Ds:Pa没有任何氢键，却依然让扳机环做出了完全相同的动作。这一发现证实，氢键并非触发扳机环折叠的必要条件，只要尺寸和形状合适，人工碱基便能与RNA聚合酶的活性中心“上锁”。

发表于《自然·通讯》的研究则报道了Hachimoji中的P:Z。王栋团队与本纳团队合作研究，发现了一个更加不可思议的现象：Z碱基的硝基（-NO₂）可以伸入RNA聚合酶的桥螺旋区域，借助水分子，与桥螺旋上的两个氨基酸（A787和A791）形成三方相互作用[4]。它们像三只手交叠在一起，把桥螺旋“撑”在弯曲状态。这种作用不是全部靠常见的氢键，除了两个氢键连接A787/A791主链外，还有一种被称为π-hole的相互作用连接。我们可以把氢键想象成磁铁，方向明确、吸力较强；而这里起作用的π-hole，它更像一种弱胶水，单看很弱，但位置对了，就足以把桥螺旋粘在弯曲状态。而桥螺旋弯曲正是扳机环折叠、推动转录的前提。研究人员把硝基换成羧酰胺后发现，虽然错配被大幅抑制，但转录效率却也随之下降。这一对比说明，硝基的存在与否，会直接影响RNA聚合酶的构象动态平衡，也就是它在不同工作状态之间切换的倾向。

这两篇论文共同描绘出一幅全新的图景：生命体中的多亚基RNA聚合酶对非天然碱基的容忍度，远超我们此前的想象。它既能识别氢键重排的Hachimoji碱基对，也能识别无氢键的疏水碱基对，甚至能被模板碱基的特定化学基团所“调教”。细胞转录机器适应化学变化的能力，比我们以为的大得多。至此，八字母遗传体系的转录环节获得了实验支撑。但这些人工字母能否在活细胞中稳定复制、代代传递，仍是有待攻克的下一道关卡。字母表扩容的故事，仍在进行中。

结语

我们曾以为，生命的字母表是一份数十亿年前由演化签下的契约，一经落笔，便不可更改。但扩展遗传字母表的研究告诉我们，这份契约其实没有签字盖章。生命的法则并非只为ATCG量身定做，它是一套具有弹性的识别系统。

这些发现也为设计新型转录调控分子提供了全新思路。如今，已有研究开发出基于六字母AEGIS的DNA适配体，它能够识别表达肝癌标志物GPC3的肿瘤细胞[16]，作为分子导航载体，将搭载的药物定向递送到癌细胞[17]。Ds:Pa系统也已被用于RNA的位点特异性荧光标记[18]。当遗传字母表本身可以被改写，我们对生命的想象也随之拓宽。宇宙如果有其他收件人，它们或许正在用我们无法想象的墨水，书写着同样精彩的答案。

参考文献

[1]Watson J D,Crick F H C.Molecular structure of nucleic acids:a structure for deoxyribose nucleic acid.Nature,1953,171(4356):737–738.

[2]Hoshika S,Leal N A,Kim M J,et al.Hachimoji DNA and RNA:a genetic system with eight building blocks.Science,2019,363(6429):884–887.

[3]Li Q,Hou P,Kimoto M,et al.Hydrophobic unnatural base pair promotes trigger loop closure and catalysis in cellular RNA polymerase independent of hydrogen bonding.Proc Natl Acad Sci USA,2026,123(33):e2607774123.

[4]Li Q,Kim H J,Liu Y,et al.Structural basis of transcription of the hachimoji eight-letter alphabet by E.coli RNA polymerase.Nat Commun,2026,17:9060.

[5]Mendel G.VersucheüberPflanzen-Hybriden.Verhandlungen des naturforschendenVereines in Brünn,1866,4:3–47.

[6]Schrödinger E.What is Life?The Physical Aspect of the Living Cell.Cambridge:Cambridge University Press,1944.

[7]Switzer C,Moroney S E,Benner S A.Enzymatic incorporation of a new base pair into DNA and RNA.J Am Chem Soc,1989,111(21):8322–8323.

[8]Piccirilli J A,Krauch T,Moroney S E,et al.Enzymatic incorporation of a new base pair into DNA and RNA extends the genetic alphabet.Nature,1990,343(6253):33–37.

[9]Yang Z,Hutter D,Sheng P,et al.Artificially expanded genetic information system:a new base pair with an alternative hydrogen bonding pattern.Nucleic Acids Res,2006,34(21):6095–6101.

[10]Biondi E,Benner S A.Artificially expanded genetic information systems for new aptamer technologies.Biomedicines,2018,6(2):53.

[11]Seo Y J,Matsuda S,Romesberg F E.Transcription of an expanded genetic alphabet.J Am Chem Soc,2009,131(14):5046–5047.

[12]Malyshev D A,Seo Y J,Ordoukhanian P,Romesberg F E.PCR with an expanded genetic alphabet.Journal of the American Chemical Society,2009,131(41):14620–14621.

[13]Malyshev D A,Dhami K,Lavergne T,et al.A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet.Nature,2014,509(7500):385–388.

[14]Hirao I,Kimoto M,Mitsui T,et al.An unnatural hydrophobic base pair system:site-specific incorporation of nucleotide analogs into DNA and RNA.Nat Methods,2006,3(9):729–735.

[15]https://www.scientificamerican.com/article/4-new-dna-letters-double-lifes-alphabet

[16]Zhang L,Yang Z,Le Trinh T,et al.Aptamers against cells overexpressing glypican 3 from expanded genetic systems combined with cell engineering and laboratory evolution.Angew Chem Int Ed Engl,2016,55(40):12372–12375.

[17]Zhang L,Wang S,Yang Z,Hoshika S,Xie S,Li J,Chen X,Wan S,Li L,Benner S A,Tan W.An Aptamer-Nanotrain Assembled from 6-Letter DNA Delivers Doxorubicin Selectively to Liver Cancer Cells.Angew Chem Int Ed Engl,2020,59(2):663–668.

[18]Morohashi N,Kimoto M,Sato A,Kawai R,Hirao I.Site-specific incorporation of functional components into RNA by an unnatural base pair transcription system.Molecules,2012,17(3):2855–2876.

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