新研究揭示新型DNA鏈置換反應

近期，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心研究員張鈉課題組，依托穩態強磁場實驗裝置（SHMFF），揭示了G四鏈體中自發進行基于非經典Hoogsteen氫鍵配對的新型DNA鏈置換反應，實現了G四鏈體重組裝。該團隊解析了由一條靶標鏈和兩條富G短鏈探針構成異三聚G四鏈體的核磁共振溶液結構。相關研究成果發表在《美國化學會志》（JACS）上。

DNA鏈置換反應通常基于經典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雙螺旋結構中置換出來。這種在DNA雙鏈螺旋結構中進行的常規鏈置換反應，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域。

不同于DNA經典雙螺旋結構，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構，在人類基因組中分布廣泛，在生物、醫藥等領域備受關注。G四鏈體具有豐富的結構多樣性，根據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。G四鏈體結構具有優良的穩定性，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基因啟動子區的DNA序列Tub10 d（CAGGGAGGGT）在K+溶液中完全折疊成具有良好熱穩定性（Tm值57.7°C）的全平行自二聚G四鏈體。研究發現，盡管該G四鏈體在室溫下足夠穩定，但它在新型Hoogsteen氫鍵配對的鏈置換反應中并非惰性，而是可作為起始反應物自發地接受雙份富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構成的全平行異三聚G四鏈體終產物Tub10/2P1，實現G四鏈體重組裝。

科研人員利用液相核磁共振技術解析了全原子精細結構，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結合模式。富G短鏈探針P1與傳統反義探針相比具有更高的結合特異性，能特異性識別全平行二聚G四鏈體。富G短鏈探針P1可同時進攻雙螺旋中的富G鏈與富C鏈，自發地將Tub10從雙鏈螺旋中捕獲出來，形成異三聚G四鏈體產物Tub10/2P1。

該研究揭示了由雙份富G短鏈探針同時參與基于Hoogsteen氫鍵配對方式自發進行的新型鏈置換反應，拓展并補充了由Watson-Crick配對介導的常規核酸鏈置換反應，突破了G四鏈體呈現富G鏈置換惰性的傳統認知。該成果為DNA納米材料領域研究奠定了新的理論基礎和實踐基礎，解決了目前多為相同富G鏈自組裝的不足，利于獲得更復雜、更多功能的全新納米組裝結構，并為靶向G四鏈體的新型富G探針設計提供了新思路。

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