蘇糖核酸（TNA）是一種非天然核酸，結構簡單（圖1），能像RNA一樣鹼基配對，也能摺疊形成功能性結構，因此被視作生命起源早期可能的遺傳物質。而且，TNA具有優異的抗核酸酶降解能力，在生物醫學應用中展現出潛力。
圖1. TNA與RNA的化學結構。
能夠催化RNA發生化學反應的TNA酶（TNAzyme），不僅在探索RNA世界方面具有重要意義，還可作為高生物穩定性的分子工具應用於研究和治療。此前，研究者已開發了能切割RNA的TNA酶，實現了細胞選擇性的基因沉默（Nat. Chem. 2022, 14, 350）。然而，TNA酶能否催化RNA天然連接反應（即形成3′-5′磷酸二酯鍵）仍未知。擁有這種活性的TNA酶，可能在早期地球環境中功能性RNA的組裝過程中扮演了重要角色，同時也為長片段RNA的體外合成提供了新的生物技術工具。近日，南京大學於涵洋課題組報道了一種能催化天然RNA連接反應的TNA酶。該TNA酶依賴鋅離子，12小時反應產率可接近90%，催化核心包含29個鹼基，能夠加速功能性RNA的生成。相較於其他人工核酶，TNAzyme 24-1兼具優異的生物穩定性和更高的催化速率。這項工作為TNA作為原始酶分子提供了實驗證據，並為功能性RNA的合成提供了新工具。相關論文發表於J. Am. Chem. Soc.。
在RNA的末端羥基與5'三磷酸發生連接反應時，既有可能形成非天然的2'-5'磷酸酯鍵，也有可能形成天然的3'-5'連接方式（圖2）。前人研究顯示，金屬離子顯著影響RNA連接反應的活性和選擇性。在該體外篩選實驗中，鋅離子被選作為TNA酶的輔因子，希望能夠促進3'-5'磷酸酯鍵的形成，富集催化RNA天然連接反應的TNA酶。
圖2. 催化RNA連接反應的TNA酶的體外篩選。
篩選獲得的TNA酶24-1能夠催化RNA的天然連接反應，形成新的3'-5'磷酸酯鍵。TNA酶的催化核心包含29個鹼基，刪去催化核心後，僅互補的TNA鏈不能加速RNA底物的快速連接。在相同反應條件下，TNA酶24-1產生的連接產物明顯多於DNA酶7DE5（圖3）。若將TNA酶的序列以DNA或RNA的形式合成，所得分子不能催化連接反應。
圖3. TNA酶更高效催化RNA連接反應。
僅在鋅離子存在時，TNA酶能夠加速RNA連接反應，其他金屬離子（如鎂離子、錳離子和鈣離子）不能支持TNA酶的催化活性。TNA酶24-1的最適工作溫度是23°C，最適工作pH是7.3，最適鋅離子濃度是1 mM。TNA酶能夠接納的最短RNA底物片段長度分別是11和7個鹼基，對連接位點的鹼基要求為D|G，其中D = A, G or U（圖4）。
圖4. TNA酶催化形成3'-5'磷酸酯鍵。
TNA酶24-1可用於功能性RNA的組裝。若將核酶L1分割為兩個片段，在組裝之前，這兩個片段只展現出微弱的催化活性。而在TNA酶催化的連接反應後，兩個RNA片段被連接成一條全長的RNA分子，顯示出完整核酶的催化活性（圖5）。
圖5. TNA酶催化產生功能性RNA。
總結
這項工作報道了催化RNA天然連接反應的TNA酶，該酶能高效連接RNA片段，組裝出功能性核酶，為生命起源中TNA的催化潛能提供了直接證據，同時也為RNA操控提供了新型穩定工具。
這項工作的第一作者是博士生王娟，通訊作者是於涵洋教授。陳加余教授、韓峰、鄒燁、王夢琪、王瑤對該工作亦有貢獻。
A Threose Nucleic Acid (TNA) Enzyme Catalyzing Native 3』-5』 Ligation of RNA
Juan Wang, Feng Han, Ye Zou, Mengqi Wang, Yao Wang, Jia-Yu Chen, Hanyang Yu*
J. Am. Chem. Soc. 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c07235
