XNA字母表：糖修饰核酸的构象行为与正交性研究及其在合成生物学中的应用

本文推荐研究人员系统总结了50年来糖修饰核酸(XNAs)的研究进展，重点探讨了其构象参数（如糖折叠、螺旋扭转和骨架-碱基倾角）如何决定与天然核酸的交叉配对能力或正交性。研究通过分析两类XNAs（能与DNA/RNA交叉配对的系统和完全正交系统）的结构特征，为开发合成遗传系统、核酸药物和纳米技术提供了理论基础。特别揭示了糖组分在定义XNAs构象空间中的关键作用，这对理性设计XNA复制和进化过程至关重要。

　　

在探索生命起源和开发新型生物技术的道路上，核酸化学家们一直试图突破天然DNA和RNA的局限。自然界选择核糖核酸(RNA)作为遗传物质的基础，但其化学不稳定性限制了RNA基因组的广泛应用。与此同时，合成生物学的发展亟需能够独立于天然核酸运作的人工遗传系统。这些挑战催生了对糖修饰核酸(XNAs)的深入研究——通过替换DNA/RNA中的核糖或脱氧核糖，科学家们试图创造兼具稳定性、功能性和正交性的新型遗传聚合物。

美国加州大学欧文分校(University of California, Irvine)的John C. Chaput团队联合范德堡大学(Vanderbilt University)和鲁汶大学(KU Leuven)的研究人员，在《Nucleic Acids Research》发表了题为"The XNA alphabet"的综述。这项研究系统梳理了50年来开发的各类XNAs，首次将其归类为"XNA字母表"，并揭示了糖构象如何通过影响螺旋参数（如骨架-碱基倾角η_B和螺旋扭转角）来决定其与天然核酸的相互作用特性。这项工作为理性设计合成遗传系统和开发核酸药物提供了关键理论基础。

研究人员主要运用了三种关键技术方法：1) X射线晶体学和核磁共振(NMR)解析XNA三维结构；2) 热力学分析（如熔解温度T_m测定）评估杂交稳定性；3) 聚合酶定向进化技术开发XNA合成酶。研究队列包括两类XNAs：一类能交叉配对（如FANA、HNA），另一类完全正交（如pRNA、dXyloNA）。

糖折叠与构象空间

通过比较五元环（呋喃糖）和六元环（吡喃糖）核苷的构象特征，研究发现XNAs的糖折叠模式（如C3'-endo或C2'-endo）直接影响其螺旋几何。例如，苏糖核酸(TNA)的C4'-exo折叠使其优先与RNA而非DNA杂交，而六元环的己糖醇核酸(HNA)通过椅式构象模拟天然核苷的N型折叠。

螺旋参数与正交性

关键发现表明，螺旋参数差异是正交性的决定因素：当XNA的骨架-碱基倾角（如homo-DNA的η_B=+35°）或螺旋扭转角（如pRNA的19°）显著偏离天然核酸（B-DNA η_B≈0°，RNA η_B≈-30°）时，将无法交叉配对。研究特别指出，低扭转系统（如XyloNA，3.1°）通过增强链间堆积形成"分子胶"效应，从而提高自配对特异性。

生物应用与工程突破

在应用层面，研究展示了XNAs的多功能性：(S)-甘油核酸(GNA)通过5键磷酸间距匹配siRNA的扭结结构，显著提高基因沉默效率；而硫代磷酸酯等修饰增强了核酸酶抗性。聚合酶工程方面，开发的TNA聚合酶10-92实现了1 nt/s的催化速率和>99%的保真度，其晶体结构揭示了与非天然底物适配的构象变化。

这项研究的意义在于建立了XNA设计的"构象规则"，为合成生物学提供了安全壁垒——通过设计几何参数迥异的正交系统（如dXyloNA），可防止人工遗传信息与天然系统混淆。在医学应用上，阐明2'-修饰（如2'-F、2'-MOE）如何通过 gauche效应稳定特定折叠，指导了siRNA药物的优化设计。未来，将这类"构象规则"与碱基工程结合，可能创造出具有全新功能的遗传系统，推动生命科学和生物技术的范式变革。