近期,中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院強磁場科學中心張鈉研究員課題組依托穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置(SHMFF),首次揭示G-四鏈體中自發(fā)進行基于非經(jīng)典Hoogsteen氫鍵配對的新型DNA鏈置換反應,實現(xiàn)G-四鏈體重組裝。研究團隊解析了首個由一條靶標鏈和兩條富G短鏈探針構(gòu)成異三聚G-四鏈體的核磁共振溶液結(jié)構(gòu)。研究成果以題為 “Conversion to Trimolecular G-Quadruplex by Spontaneous Hoogsteen Pairing-Based Strand Displacement Reaction between Bimolecular G-Quadruplex and Double G-Rich Probes ” 發(fā)表在國際期刊Journal of the American Chemical Society。
DNA鏈置換反應通?;诮?jīng)典Watson-Crick堿基配對原則,以一條DNA單鏈將另一條序列相似的目標DNA單鏈從所處的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中置換出來。這種在DNA雙鏈螺旋結(jié)構(gòu)中進行的常規(guī)鏈置換反應,已被廣泛應用于納米分子組裝、生物傳感器、基因診斷與分子治療等領(lǐng)域。
不同于DNA經(jīng)典雙螺旋結(jié)構(gòu), G-四鏈體是由富含鳥嘌呤G的核酸序列折疊而成的獨特拓撲結(jié)構(gòu),在人類基因組中分布廣泛,備受生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域關(guān)注。G-四鏈體具有豐富的結(jié)構(gòu)多樣性,根據(jù)核酸鏈聚集度,可分為單聚、二聚或四聚G-四鏈體,極少有三聚G-四鏈體的報道。G-四鏈體結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的穩(wěn)定性,通常不與其他富G序列進行鏈置換,長期以來G-四鏈體一直被認為對富G鏈置換反應有惰性。
源于人類微管蛋白β2基因啟動子區(qū)的DNA序列Tub10 d(CAGGGAGGGT)在K+溶液中完全折疊成具有良好熱穩(wěn)定性(Tm值57.7°C)的全平行自二聚G-四鏈體。在本研究中發(fā)現(xiàn),盡管該G-四鏈體在室溫下足夠穩(wěn)定,但它在新型Hoogsteen氫鍵配對的鏈置換反應中并非惰性,而是能作為起始反應物自發(fā)地接受雙份富G短鏈探針P1 d(TGGGA)的鏈置換進攻,獲得由一條靶標鏈Tub10和兩條探針鏈P1構(gòu)成的全平行異三聚G-四鏈體終產(chǎn)物 Tub10/2P1,成功實現(xiàn)G-四鏈體重組裝。
研究團隊借助SHMFF所屬SM3及配套NMR,利用液相核磁共振技術(shù)對其全原子精細結(jié)構(gòu)進行了解析,揭示了不同DNA富G序列在相互識別時存在著靶標鏈與探針鏈之間獨特的1:2結(jié)合模式;富G短鏈探針P1與傳統(tǒng)反義探針相比具有更高的結(jié)合特異性,能特異性識別全平行二聚G-四鏈體;富G短鏈探針P1還可以同時進攻雙螺旋中的富G鏈與富C鏈,自發(fā)地將Tub10從雙鏈螺旋中捕獲出來,形成異三聚G-四鏈體產(chǎn)物Tub10/2P1。
本研究揭示了由雙份富G短鏈探針同時參與基于Hoogsteen氫鍵配對方式自發(fā)進行的新型鏈置換反應,拓展、補充了由Watson-Crick配對介導的常規(guī)核酸鏈置換反應,突破了G-四鏈體呈現(xiàn)富G鏈置換惰性的傳統(tǒng)認知;為DNA納米材料領(lǐng)域提供新的理論和實踐基礎(chǔ),解決目前多為相同富G鏈自組裝的不足,有利于獲得更復雜、更多功能的全新納米組裝結(jié)構(gòu);還為靶向G-四鏈體的新型富G探針設計開辟了新思路。
強磁場中心博士研究生胡文萱與博士后景海濤為本論文的共同第一作者,北京大學周江教授署名合作,強磁場中心張鈉研究員為通訊作者。
文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c05617
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圖1. 雙份富G短鏈探針與自二聚G-四鏈體起始物通過新型Hoogsteen鏈置換反應重新組裝成異三聚G-四鏈體
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圖2. 異三聚G-四鏈體Tub10/2P1的核磁共振溶液結(jié)構(gòu)