S-腺苷甲硫氨酸（SAM）：生命起源与演化中的关键角色探析

这篇综述深入探讨了S-腺苷甲硫氨酸（SAM）在生命起源与演化中的核心作用。文章从化学进化与RNA世界理论的角度出发，系统分析了SAM作为同时参与亲电甲基化与自由基反应的关键辅酶，其（预）生物合成路径、与铁硫（FeS）簇的古老关联性，以及对其他关键辅因子（如四氢叶酸（THF）、钴胺素等）生物合成的深远影响。作者提出，SAM及其相关的自由基化学（radical SAM）是许多基础生化过程（如产甲烷作用、固氮作用）得以演化形成的关键前提，为理解生命早期代谢网络的建立提供了重要视角。

引言

S-腺苷甲硫氨酸（SAM）属于基团转移辅酶，其功能以烷基转移（尤其是亲电甲基化）和以初始氢自由基抽取为特征的自由基反应为主。从进化角度看，这类反应在核碱基、脂肪酸修饰以及甲硫氨酸生物合成中至关重要。SAM在结构和生物合成上都与核苷酸生化过程紧密相连，因此将其与RNA世界理论联系起来讨论是合理的。尽管有关辅酶早期进化角色的概述已有不少，但SAM在进化舞台上的出现至今仅被浅层探讨。本报告试图在RNA世界理论的框架下，从预生物化学和生物合成两个角度，对SAM进行系统性分类与定位。

辅酶包括SAM与RNA世界理论

地球历史通常分为四个主要地质时期。前生物进化始于冥古宙（Hadean）地球存在的条件下，提供了最初的有机分子和早期前代谢网络。关于生命起源的几种理论被讨论，RNA世界理论是其中之一。该理论认为，具有特定序列的RNA必然先于具有特定序列的蛋白质出现，因为RNA分子具备自我复制和催化特性（如核酶）。然而，若无金属或辅酶，已知核酶促进的反应种类非常有限，主要基于酸碱催化的水解和少数基团转移反应。氧化还原、烷基化等化学需要辅酶，包括SAM。

如果RNA确实是后来出现的蛋白质酶的 precursor，并主导了前代谢，那么RNA的反应库必须大得多。因此可以假设，当时应存在一些小的、具有共催化活性的分子，它们通过共价、配位或氢键与RNA结合，形成功能性“共核酶”。这使辅酶和金属辅因子登台，尤其是一些辅酶含有腺苷磷酸“手柄”。SAM等含有腺苷的辅酶可被视为核苷酸构建块，当其共价连接到核酶5‘-末端时，实质上类似于具有催化活性的核苷酸。如今，RNA结合小分子的概念体现在称为核糖开关（riboswitches）的小mRNA中，其中包括SAM核糖开关，它通过结合SAM来调控细菌中的SAM生物合成。

SAM由甲硫氨酸腺苷转移酶从L-甲硫氨酸和腺苷三磷酸（ATP）生物合成。SAM转移其甲基后生成S-腺苷-L-高半胱氨酸（SAH），后者需通过几个酶促步骤再生为SAM。大多数生物利用甲基叶酸或甲基钴胺素（MeCbl）作为甲基供体，将高半胱氨酸转化为甲硫氨酸。已知几类SAM核糖开关在此“SAM循环”中充当控制点。

关于核酶如何成为具有烷基化特性的催化系统，可设想两种场景：其一，SAM通过弱相互作用与原型核酶结合（如当前SAM核糖开关）；其二，核酶在其过磷酸化的5‘-末端结合甲硫氨酸，生成的锍物种本质上就是带有寡核苷酸的SAM。然而，这些方法在考虑再生（即重新加载甲基）问题时存在根本弱点，这需要结合合理的预生物化学来考量。

预生物SAM模型

亲电甲基化

SAM的主要代谢作用是将甲基转移到DNA和tRNA的核碱基、蛋白质中的高半胱氨酸、胍乙酸和α-氨基酸等。在寻找更简单的预生物SAM模型时，最初对乙醇胺甲基化的实验研究将三甲基锍离子（Me₃S⁺）作为焦点，它能在稀水条件下实现化学选择性甲基化。然而，该阳离子物种在预生物条件下的可能起源尚不清楚，因为其化学路线需从二甲硫醚开始，但第三个甲基的来源不明，这使Me₃S⁺作为 plausible 预生物亲电甲基源的有效性受到质疑。甲醛和重氮甲烷也曾被提议为古老的甲基化剂，但各自存在局限性。

硫烷作为巯基二甲基锍阳离子的前体——一项“思想实验”

三烷基锍物种的替代方案是用含硫或氮等杂原子的取代基替换Me₃S^{+中的一个甲基。早期世界很可能存在多种形式的硫（如H₂S、元素S_n、SO₂、亚硫酸盐、硫酸盐、硫代硫酸盐），深海热泉系统中存在的二甲硫醚和甲硫醇使其成为预生物世界的候选物质。}

本文提出，巯基二甲基锍物种（如(CH₃)₂S(SR)⁺）可作为经典三烷基锍物种（如Me₃S⁺）以及SAM的合理替代物。这类锍物种中心硫原子上连有硫代取代基。多硫烷（H₂S_n）或（CH₃S)₂可作为形成此类锍物种的起点。多硫化物在碱性条件下稳定，低于中性pH则形成分子硫S₈。在预生物时期，S–S键可由相应硫醇（如甲硫醇）或H₂S通过各种氧化剂（如H₂O₂、NO或Fe(III)）形成。理论上，这个动态系统可作为锍物种形成的起始点。例如，若二甲硫醚与多硫烷中的亲电硫反应，则会形成这类锍物种，并原则上能像Me₃S⁺或SAM一样进行甲基转移反应。

二甲基(甲硫基)锍盐已有确证，通常通过甲基化二硫化物或硫醇与亲电硫醇（如次磺酰氯）反应获得，它们代表了此处建议的二硫化物或多硫烷。已证明这些阳离子物种可作为烷基化剂，因此原则上可视为预生物SAM替代物。有趣的是，研究表明二甲基(甲硫基)锍盐在有机三烷基或三苯基亚磷酸酯作用下可形成三甲基锍盐。但需先找到此类亚磷酸酯的预生物等价物才能下结论。

具有周期性“干湿”循环的热液区是想象此类化学发生的理想前地质地点。干燥期的高局部浓度尤其有利于假定锍阳离子的形成。

自由基SAM模型

铁硫（FeS）簇是古老的辅因子，在代谢中起根本作用，自由基SAM酶含有FeS簇，其通过均裂SAM产生自由基。由此产生的腺苷自由基引发底物的氢原子抽取，导致大量后续反应。这类化学可能也影响了导致生命的预生物化学。事实上，已有研究显示FeS簇可在合理的预生物条件下产生，其中起始组分的光化学激发是活化方法之一。这为在预生物背景下考虑自由基SAM化学打开了大门。FeS簇由多种含半胱氨酸的肽稳定，在复杂肽出现之前，预生物产生的半胱氨酸或甲硫醇可能扮演了此角色。

水合FeS簇（FeS clusters directly hydrated by water）首先在海水和深海热泉喷口被发现。较小的水合簇Fe₂S₂和Fe₄S₄显示出与FeS蛋白中簇形式相似的结构。Fe₂S₂的结构类似于矿物马基诺矿（mackinawite, FeS）的基本结构组分，这进一步证明FeS在预生物时期可从地球化学来源获得。

要使预生物自由基SAM系统存在，还需确定锍阳离子的预生物形式，上文已给出建议。近年来合成化学对基于锍盐的自由基化学有所认识，通常使用光化学活化实现均裂。然而，仿生电子转移来自金属的研究至今很少，烷基自由基形成的例子寥寥无几，芳基自由基形成主导该领域。由于此化学尚未在合理的预生物反应条件（如与非生物FeS簇）下研究，目前无法断定自由基SAM化学在地球历史如此早期是否扮演重要角色。

SAM——生物进化中的早期参与者？

SAM生物合成有多“简单”？

SAM的生物合成基于构建块ATP和甲硫氨酸。再生锍物种需要辅酶吡哆醛磷酸（PLP）、NADH和THF。就所需辅酶而言，所有这些辅酶的出现都可能被视为古老，因为它们的生物合成相对简单。事实上，PLP的生物合成似乎是所有辅酶和辅因子中最简单的，仅需ATP和碳水化合物代谢的构建块。NADH的生物合成也相对容易。类似地，最简单的卟啉（尿卟啉原III）和FeS簇的生物合成也可视为简单。接下来，NADH是THF生物合成所必需，因此THF是SAM再生过程所必需。对氨基苯甲酸（PABA）作为THF的结构元件，通过莽草酸途径产生。经典的莽草酸生物合成途径需要一个TPP依赖的转酮酶步骤。根据此类分析，当THF作为甲硫氨酸再生辅酶变得必需时，TPP的生物合成未必在进化早期出现。然而，最近在詹氏甲烷球菌（Methanocaldococcus jannaschii）中发现了一种不依赖TPP的替代性莽草酸生物合成途径。这表明在这种情况下，依赖THF的再生系统可能已在生物原型生命的早期存在，这进而意味着SAM生化仍代表一个生物合成上相当简单的系统。

四氢叶酸还是钴胺素——哪个甲基再生系统更古老？

上述分析表明，THF在生物合成上是相对容易获得的辅酶。那么可作为THF替代品的钴胺素呢？与尿卟啉原III不同，钴胺素中咕啉核心的生物合成需要多达十当量的SAM和一当量的FeS/SAM（从尿卟啉原III开始）以及一系列其他辅酶。从进化角度看，钴胺素因此必然在SAM生物合成确立很久之后才出现，故而基于钴胺素的从L-高半胱氨酸到L-甲硫氨酸的再生系统可视为“后来者”。因此，依赖四氢叶酸的SAM再生系统在进化上代表更古老的系统。此分析的另一个含义是，第二种腺苷自由基诱导的化学（利用维生素B12）在进化上晚于自由基SAM出现， solely due to the complex biosynthesis of the corrinoid ligand.

自由基SAM系统可能有多古老？

关于FeS簇的出现也可提出类似论点。根据此处使用的分析，它们可被描述为“早期到来者”。因此，[FeS]簇与SAM这对组合很可能在生命进化早期就已存在，并可能参与了基本的生物过程，如特定辅酶和金属辅因子的形成以及自由基SAM反应。分析还揭示，产甲烷作用可能在进化后期出现，因为几种辅因子需要SAM和自由基SAM进行生物合成。

SAM对其他辅因子生物合成的影响

S-腺苷甲硫氨酸不仅参与亲电烷基化和硫叶立德化学，已知多种辅酶和辅因子的生物合成基于FeS簇与SAM的结合。这些包括硫辛酸、生物素、硫胺素焦磷酸（TPP；细菌和古菌中的那些生物合成变体）、甲萘醌、吡咯喹啉醌、不同固氮酶中的FeM（M = Mo, V, Fe）辅因子、[FeFe]-氢化酶H簇、钼辅因子（Moco）以及至少三种参与产甲烷作用的辅因子（特别是辅酶F₀/F₄₂₀和四氢甲烷蝶呤（THMPT））。这表明，从进化视角看，许多基础生化过程仅因SAM的存在及其与单电子转移系统的耦合才得以以其当前形式实现。这尤其适用于与分子氢耦合的伍德-永达尔C1固定和固氮作用。但古菌电子传递链以及由Moco介导的多样氧化还原化学也需考虑在内。

结论

辅酶和辅因子很可能在生命的进化和起源中扮演了重要（甚至是决定性）角色；它们可能是解决常被引用的“RNA世界”理论与“代谢优先”理论之间 dichotomy 的关键。它们的化学作用明确且主要位于代谢中，而若干代表（包括本文讨论的S-腺苷甲硫氨酸）具有核苷酸的结构特征。在“RNA世界”中，此类辅酶和辅因子是RNA的伙伴而非蛋白质的伙伴。

基于生物合成方面的分析将SAM生物合成定位于生物进化的早期阶段；同样适用于FeS簇，因此不仅SAM的经典化学作用（尤其是甲基化），而且自由基SAM反应均可被宣告为“古老的”。如果基于此发现继续进行分析，那么许多基础生化过程（如产甲烷作用、固氮和加氢作用——后者嵌入伍德-永达尔C1固定途径）仅随着SAM的出现才以其当前所知的形式出现。分析还表明，咕啉类在生物进化中出现相对较晚。腺苷自由基诱导的自由基化学出现了两次，其中由FeS簇引发的锍阳离子均裂在时间上占优。

显然本报告是推测性的，但这适用于整个破译进化与生命起源的领域。正如阿尔伯特·埃申莫塞所言：“生命的起源无法被发现，它必须被重新发明。”