Synlett 2011(14): 1956-1964  
DOI: 10.1055/s-0030-1261177
SYNPACTS
© Georg Thieme Verlag Stuttgart ˙ New York

The Origins of Nucleotides

Matthew W. Powner*a, John D. Sutherlandb, Jack W. Szostaka
Howard Hughes Medical Institute, and Department of Molecular Biology and Center for Computational and Integrative Biology, Massachusetts General Hospital, 185 Cambridge Street, Boston, Massachusetts 02114, USA
Fax: +1(617)6433328; e-Mail: powner@molbio.mgh.harvard.edu;
MRC Laboratory of Molecular Biology, Hills Road, Cambridge, CB2 0QH, UK
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Received 18 April 2011
Publication Date:
10 August 2011 (online)

Abstract

The origins of life represent one of the most fundamental chemical questions being addressed by modern science. One of the longstanding mysteries of this field is what series of chemical reactions could lead to the molecular biologists dream; a pool of homochiral nucleotides? Here we summarize those results we consider to be historically important and outline our recently published research aimed at understanding the chemoselective origins of the ­canonical ribonucleotides.

1 Introduction

1.1 Nucleotides: What’s the Problem?

2 Synthesis of Activated Pyrimidines

2.1 Pyrimidine Elaboration by Cyanovinylation

2.2 Photochemical Epimerization and Cytidine to Uridine
Conversion

2.3 Urea-Mediated Phosphoryl Transfer and Intramolecular
Rearrangement

2.4 Pyrimidine Photosanitization

3 Chemoselective Purine Glycosylation

4 Future Scope for Investigation

5 Conclusion

    References

  • 1 Eschenmoser A. Science  1999,  284:  2118 
  • 2 Wöhler F. Ann. Phys. Chem.  1828,  88:  253 
  • 3a Ball P. Nature (London)  2006,  442:  500 
  • 3b

    (b) EPSRC grand challenges (2009): http://www.epsrc.ac.uk/about/progs/physsci/Pages/grandchallenges.aspx.

  • 4 Woese CG. The Genetic Code   Haper and Row; New York: 1967.  p.179 
  • 5a Oro J. BioChem. Biophys. Res. Commun.  1960,  2:  407 
  • 5b Oro A. Kimball P. Arch. Biochem. Biophys.  1962,  96:  293 
  • 5c Lowe CU. Rees MW. Markham R. Nature (London)  1963,  199:  219 
  • 5d Ferris JP. Orgel LE. J. Am. Chem. Soc.  1966,  88:  3829 
  • 5e Ferris JP. Orgel LE.
    J. Am. Chem. Soc.  1966,  88:  1074 
  • 5f Sanchez RA. Ferris JP. Orgel LE. J. Mol. Biol.  1967,  30:  223 
  • 5g Orgel LE. Lohrmann R. Acc. Chem. Res.  1974,  7:  368 
  • 6 Fuller WD. Sanchez RA. Orgel LE. J. Mol. Evol.  1972,  1:  249 
  • 7 Anastasi C. Buchet FF. Crowe MA. Parkes AL. Powner MW. Smith JM. Sutherland JD. Chem. Biodiversity  2007,  4:  721 
  • 8a Speck JC. Adv. Carbohydr. Chem. Biochem.  1958,  13:  63 
  • 8b Mizuno T. Weiss AH. Adv. Carbohydr. Chem. Biochem.  1974,  29:  173 
  • 8c Shapiro R. Origins Life Evol. Biosphere  1988,  18:  71 
  • 8d Müller D. Pitsch S. Kittaka A. Wagner E. Wintner CE. Eschenmoser A. Helv. Chim. Acta  1990,  73:  1410 
  • 8e Larralde R. Robertson MP. Miller SL. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.  1995,  92:  8158 
  • 8f Pizzarello S. Weber AL. Science  2004,  303:  1151 
  • 8g Ricardo A. Carrigan MA. Olcott AN. Benner SA. Science  2004,  303:  196 
  • 8h Córdova AC. Ibrahem I. Casas J. Sundén H. Engqvist M. Reyes E. Chem. Eur. J.  2005,  11:  4772 
  • 8i Kofoed J. Reymond J.-L. Darbre T. Org. Biomol. Chem.  2005,  3:  1850 
  • 9 Sanchez RA. Orgel LE. J. Mol. Biol.  1970,  47:  531 
  • 10 Joyce GF. Schwartz AW. Miller SL. Orgel LE. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.  1987,  84:  4398 
  • 11a Powner MW. Gerland B. Sutherland JD. Nature (London)  2009,  459:  239 
  • 11b Powner MW. Sutherland JD. Angew Chem. Int. Ed.  2010,  49:  4641 
  • 12 Powner MW. Sutherland JD. Szostak JW. J. Am. Chem. Soc.  2010,  132:  16677 
  • 13a Anastasi C. Crowe MA. Powner MW. Sutherland JD. Angew. Chem. Int. Ed.  2006,  45:  6176 
  • 14 Springsteen G. Joyce GF. J. Am. Chem. Soc.  2004,  126:  9578 
  • 15 Shannahoff DH. Sanchez RA. Org. Chem.  1973,  38:  593 
  • For examples, see:
  • 16a Wang SY. (Ed.), Photochemistry and Photobiology of Nucleic Acids   Vol. 1 and 2:  Wang SY. Academic Press; New York: 1976. 
  • 16b Cadet J. Vigny P. The Photochemistry of Nucleic Acids, In Bioorganic Photochemistry   Vol. 1:  Morrison H. Wiley; New York: 1990.  p.1-272  
  • 17a Wang SY. Apicella M. Stone BR. J. Am. Chem. Soc.  1956,  78:  4180 
  • 17b Johns HE. LeBlanc JC. Freeman KB. J. Mol. Biol.  1965,  13:  849 
  • 17c Wechter WJ. Smith KC. Biochemistry  1968,  7:  4064 
  • 17d Miller N. Cerutti P. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.  1968,  59:  34 
  • 17e Deboer G. Klinghoffer O. Johns HE. Biochim. Biophys. Acta  1970,  213:  253 
  • 17f Liu F.-T. Yang NC. Biochemistry  1978,  17:  4877 
  • 18 Powner MW. Anastasi C. Crowe MA. Parkes AL. Raftery J. Sutherland JD. ChemBioChem  2007,  8:  1170 
  • 19 Powner MW. Sutherland JD. ChemBioChem  2008,  9:  2386 
  • 20a Lohrmann R. Orgel LE. Science  1968,  161:  64 
  • 20b Lohrmann R. Orgel LE. Science  1971,  171:  490 
  • 20c Osterberg R. Orgel LE. Lohrmann R. J. Mol. Evol.  1973,  2:  231 
  • 20d Handschuh GJ. Lohrmann R. Orgel LE. J. Mol. Evol.  1973,  2:  251 
  • 21a Tapiero CM. Nagyvary J. Nature (London)  1971,  231:  42 
  • 21b Ingar A.-A. Luke RWA. Hayter BR. Sutherland JD. ChemBioChem  2003,  6:  504 
  • 22a Osterberg R. Orgel LE. J. Mol. Evol.  1972,  1:  241 
  • 22b Orgel LE. Biochem. Mol. Biol.  2004,  39:  99 
  • 23 Powner MW. Sutherland JD. Phil. Trans. R. Soc. B  2011,  in press 
  • 24a Schwartz AW. Goverde M. J. Mol. Evol.  1982,  18:  351 
  • 24b Eschenmoser A. Chem. Biodiv.  2007,  4:  554 
  • 25a Thanassi JW. J. Org. Chem.  1975,  40:  2678 
  • 25b Pascal R. Taillades J. Commeyras A. Bull Soc. Chim. Fr.  1978,  II-177  
  • 25c Pascal R. Taillades J. Commeyras A. Tetrahedron  1979,  34:  2275 
  • 25d Rousset A. Lasperas M. Taillades J. Commeyras A. Tetrahedron  1980,  36:  2649 
  • 25e Pascal R. Taillades J. Commeyras A. Tetrahedron  1980,  36:  2999 
  • 25f Edward JT. Chubb FL. Proc. R. Ir. Acad.  1983,  83:  57 
  • 25g Koch K. Schweizer WB. Eschenmoser A. Chem. Biodiversity  2007,  4:  541 
  • 25h Pascal R. Eur. J. Org. Chem.  2003,  1813 
  • 26 Breslow R. Cheng Z.-L. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.  2011,  107:  5723 
  • For general review, see:
  • 27a Bonner WA. Orig. Life Evol. Biosphere  1991,  21:  59 
  • 27b Blackmond DG. Cold Spring Harb. Perspect. Biol.  2010,  2:  a002147 For an interesting perspective upon the origins of nucleotide homochirality through symmetry breaking at the single molecule level and chiroselective oligomerization, see: 
  • 27c Joyce GF. Visser GM. Van Boeckel CAA. van Boom JH. Orgel LE. van Westrenen J. Nature (London)  1984,  310:  802 
  • 27d Bolli M. Micura R. Eschenmoser A. Chem. Biol.  1997,  4:  309 
  • 28a Tazawa I. Tazawa S. Stempel LM. Ts’o POP. Biochemistry  1970,  9:  3499 
  • 28b Usher DA. Nature New Biol.  1972,  235:  207 
  • 28c Bolli M. Micura R. Pitsch S. Eschenmoser A. Helv. Chim. Acta  1997,  80:  1901 
  • 29a Renz M. Lohrmann R. Orgel LE. Biochim. Biophys. Acta  1971,  240:  463 
  • 29b Verlander MS. Lohrmann R. Orgel LE. J. Mol. Evol.  1973,  2:  303 
  • 29c Verlander MS. Orgel LE. J. Mol. Evol.  1974,  3:  115 
  • 29d Usher DA. McHale AH. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.  1976,  73:  1149 
  • For examples, see:
  • 30a Inoue T. Orgel LE. J. Mol. Biol.  1982,  162:  201 
  • 30b Inoue T. Joyce GF. Grzeskowiak K. Orgel LE. Brown JM. Reese CB. J. Mol. Biol.  1984,  178:  669 
  • 30c Acevedo OL. Orgel LE. J. Mol. Biol.  1987,  197:  187 
  • 30d Orgel LE. Nature (London)  1992,  358:  203 
  • 30e Bartel DP. Szostak JW. Science  1993,  261:  1411 
  • 30f Orgel LE. Lohrmann R. Acc. Chem. Res.  1994,  7:  368 
  • 30g Ertem G. Ferris JP. Nature (London)  1996,  379:  238 
  • 30h Rohatgi R. Bartel DP. Szostak JW. J. Am. Chem. Soc.  1996,  118:  3332 
  • 30i Rohatgi R. Bartel DP. Szostak JW. J. Am. Chem. Soc.  1996,  118:  3340 
  • 30j Schrum JP. Ricardo A. Krishnamurthy M. Blain JC. Szostak JW. J. Am. Chem. Soc.  2009,  131:  14560 
  • 31 Szostak JW. Bartel DP. Luisi PL. Nature (London)  2001,  409:  387