新研究揭示新型DNA鏈置換反應(yīng)

近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心研究員張鈉課題組，依托穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置（SHMFF），揭示了G四鏈體中自發(fā)進(jìn)行基于非經(jīng)典Hoogsteen氫鍵配對(duì)的新型DNA鏈置換反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了G四鏈體重組裝。該團(tuán)隊(duì)解析了由一條靶標(biāo)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)。相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（JACS）上。

DNA鏈置換反應(yīng)通常基于經(jīng)典Watson-Crick堿基配對(duì)原則，以一條DNA單鏈將另一條序列相似的目標(biāo)DNA單鏈從所處的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中置換出來(lái)。這種在DNA雙鏈螺旋結(jié)構(gòu)中進(jìn)行的常規(guī)鏈置換反應(yīng)，已被廣泛應(yīng)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(niǎo)嘌呤G的核酸序列折疊而成的獨(dú)特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在人類(lèi)基因組中分布廣泛，在生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域備受關(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。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(jìn)行鏈置換，長(zhǎng)期以來(lái)G四鏈體被認(rèn)為對(duì)富G鏈置換反應(yīng)有惰性。

源于人類(lèi)微管蛋白β2基因啟動(dòng)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。研究發(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(duì)的鏈置換反應(yīng)中并非惰性，而是可作為起始反應(yīng)物自發(fā)地接受雙份富G短鏈探針P1 d（TGGGA）的鏈置換進(jìn)攻，獲得由一條靶標(biāo)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，實(shí)現(xiàn)G四鏈體重組裝。

科研人員利用液相核磁共振技術(shù)解析了全原子精細(xì)結(jié)構(gòu)，揭示了不同DNA富G序列在相互識(shí)別時(shí)存在著靶標(biāo)鏈與探針鏈之間獨(dú)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(shí)別全平行二聚G四鏈體。富G短鏈探針P1可同時(shí)進(jìn)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(lái)，形成異三聚G四鏈體產(chǎn)物Tub10/2P1。

該研究揭示了由雙份富G短鏈探針同時(shí)參與基于Hoogsteen氫鍵配對(duì)方式自發(fā)進(jìn)行的新型鏈置換反應(yīng)，拓展并補(bǔ)充了由Watson-Crick配對(duì)介導(dǎo)的常規(guī)核酸鏈置換反應(yīng)，突破了G四鏈體呈現(xiàn)富G鏈置換惰性的傳統(tǒng)認(rèn)知。該成果為DNA納米材料領(lǐng)域研究奠定了新的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐基礎(chǔ)，解決了目前多為相同富G鏈自組裝的不足，利于獲得更復(fù)雜、更多功能的全新納米組裝結(jié)構(gòu)，并為靶向G四鏈體的新型富G探針設(shè)計(jì)提供了新思路。

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