写在前面

    怎么说呢，这个系列就是把自己的homework拿出来晒一晒，也就是图一乐丢人现眼一下，因为本人能力和知识范围有限，难免会有错误，请谅解一下，也就是仅供参考。引文都有标注，如果有侵权的可以联系我。欢迎各位大佬多交流，提问题、指错误。要是能关注一波那就更好了！ 

关于非规范碱基的思考与展望

——ZTCG: Viruses expand the genetic alphabet阅读心得

1 非规范碱基

  1953年，克里克和沃森在《自然》上发文揭示了DNA的双螺旋结构，确定了DNA双链结构中最基本的AT、CG碱基对互补配对的现象。

  但随着科学技术的发展，人们陆续在自然界发现一些不同于最普遍的ATCG这四大碱基的非规范碱基的存在，它们与四大碱基功能结构大致相似，甚至在某些DNA链中完全替代了某类碱基。此外，人们也人工合成了一些非规范碱基对，并证实它们与其它碱基对一样也能参与遗传信息的流动。

1.1二氨基嘌呤——Z碱基

  1977年，Z碱基首次在一篇发表于《Nature》的文章中露面。当时，苏联科学家分析了一种能感染蓝绿藻的S-2L噬菌体的基因。根据光谱分析数据，他们发现其中存在除T、C和G之外的另一种碱基，并通过酸水解实验证实这种未知的碱基为二氨基嘌呤（Z）。发现该现象后，他们通过酶解实验进行了重复验证，并确认S-2L噬菌体的DNA确实是由ZTCG四种碱基组成，其中Z与T的含量接近，在DNA中配对取代了A的位置。（Fig1）在dZ-DNA中，Z:T碱基对由三个氢键组成，与A:T相比，键数增加，因此稳定性提高。这使得dZ-DNA与标准DNA相比,有三个主要性能增强：（1）热稳定性:dZ-DNA在较高的温度下更稳定；（2）序列特异性:单个dZDNA链在结合互补DNA序列时更准确(4);（3）抗核酸酶性:dZ-DNA抗核酸酶降解，核酸酶识别和切割含有A的特定DNA序列。同时dZ-DNA的刚性、热稳定性和力稳定性都较普通DNA有所增加。[1-2]

此外，有研究发现这些噬菌体可以利用自身携带的PurZ(2-氨基腺苷琥珀酸合成酶)将宿主细胞内的dGMP转化为dZMP，研究人员还发现了细菌编码的z特异性DNA聚合酶DpoZ用于将Z碱基插入到DNA序列中。[2]

1.2次黄嘌呤——I碱基

在细胞遗传信息流动的过程中，非常偶然的情况下AMP和GMP的合成前体——次黄嘌呤核苷酸（IMP）也能出现在核酸链中，尤其是在tRNA反密码子区的最后一个碱基中。I碱基非常万能，它能和U、C和A碱基都形成互补配对，被称为wobble pairing（摆动配对），摇摆配对的存在有助于细胞翻译过程速率的提升。[4]

1.3人工合成碱基——X、Y碱基

2014年，加利福尼亚Scripps研究所的化学教授Floyd Romesberg及其同事创造了新的人工合成核苷酸对：X和Y。（Fig3）X核苷酸和Y核苷酸在结构上与普通核苷酸相似，但人造的X-Y碱基互补配对是通过分子间的疏水作用而形成的，而不是像天然碱基对那样通过氢键连接。

紧接着2018年，该团队成功将X、Y碱基将人工碱基对X、Y导入绿色荧光蛋白的基因，把其非关键区域上一个密码子TAC（负责编码酪氨酸）替换成AXC。接下来，他们创造了一个含有反密码子GYT的tRNA，可携带名为PrK的非天然氨基酸。然后，研究小组将在DNA中保留有人工合成核苷酸的细菌内部进行表达。最后这种微生物翻译出了含有非标准氨基酸的绿色荧光蛋白。[4-5]

2 思考与展望

  非规范碱基的发现，使我们深刻认识到生命世界底层代码的深度可改变性，不在是对生命原有代码的增删改修，而是彻底颠覆底层代码，实现彻底的人造生命的可能性。其次，ZDNA相较于一般DNA的优越性能或许可以用于基因编辑，例如更稳定的载体构建，定向A碱基的基因沉默，赋予DNA抗核酸酶性等，或者将I碱基的特殊性应用于DNA双链的合成与DNA杂交。此外，人工碱基的合成和参入或许能逐渐改造生命，类似于人造生命辛西娅一般的制作过程，一步步的替换原生命体的每一个基因，并设计出其生命活动所必须的特殊分子，达到真正的人造生命。

 总而言之，不管是天然非规范碱基的继续发掘还是人造碱基的继续发展，都是极具发展空间的，在此的每一项重要发现都会影响我们对基因的认识，或许将二者有机地交叉融合，可以带给我们更多的惊喜。

参考文献：

[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.