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(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置（SHMFF），揭示了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)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(fā)表在《美國化學會志》（JACS）上。

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雙螺旋結構中置換出來。這種在DNA雙鏈螺旋結構中進行的常規(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域。

不同于DNA經(jīng)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(yī)藥等領域備受關注。G四鏈體具有豐富的結構多樣性，根據(jù)核酸鏈聚集度可分為單聚、二聚或四聚G四鏈體，但少有關于三聚G四鏈體的報道。G四鏈體結構具有優(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。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氫鍵配對的鏈置換反應中并非惰性，而是可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構成的全平行異三聚G四鏈體終產(chǎn)物Tub10/2P1，實現(xiàn)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(tǒng)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(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。

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(fā)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(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。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。

研究工作得到國家自然科學基金和國家重點研發(fā)計劃等的支持。

論文鏈接?

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

圖2.?異三聚G四鏈體Tub10/2P1的核磁共振溶液結構