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2021-09-15 作者:化学化工学院 来源:科学技术处

化学化工学院鞠熀先、Jean-Louis Mergny和周俊团队在四链核酸领域取得系列研究进展

DNA作为遗传物质,除了典型右手双螺旋结构外,还可以形成多种非典型结构,如G-四链体和i-DNA就是两种代表性的特殊四链核酸结构。其中,i-DNA是一种富含胞嘧啶序列形成的四链结构,具有维持端粒长度、调控转录和翻译等重要生理功能,它的稳定性和三维折叠结构严重依赖于环境,如酸碱度、温度、离子强度和分子拥挤程度等(图1)。

为解决测量环境多样性导致的不同i-DNA稳定性数据难以相互比较甚至相互矛盾的问题,生命分析化学国家重点实验室鞠熀先、Jean-Louis Mergny和周俊研究团队发展了一种基于紫外光谱的简易分析方法—四维紫外熔解退火法(Four-Dimensional UV Melting and Annealing, 4DUVMA),可通过获得的复杂环境条件下i-DNA的形成图(图2)读取任意环境组合条件下的i-DNA的形成含量。该团队首次发现53E构象相较于35E具有更高的热稳定性和酸碱稳定性(图1C和图2),并通过测量20条模型序列的形成图,建立了完整的实验方法。该团队进一步将该方法拓展应用于多条天然癌症基因启动子区域的i-DNA序列,实现了在任意环境条件下对这些天然序列形成含量的读取。因而,建立的4DUVMA方法有望成为i-DNA研究领域一个通用的标准实验方法,有助于建立i-DNA复杂测量环境条件下稳定性的标准数据库。

图1.  i-DNA结构示意图。(A)i-DNA结构基础单元半质子化胞嘧啶与胞嘧啶碱基对(C·C+)的结合和解离,(B)偶数C·C+碱基对序列形成的5'E和3'E混合构象,(C)奇数C·C+碱基对序列分别形成的53E和35E构象。

图2. i-DNA的形成图

 该工作以“Drivers of i‑DNA Formation in a Variety of Environments Revealed by Four-Dimensional UV Melting and Annealing”为题,近期在《Journal of the American Chemical Society》(https://doi.org/10.1021/jacs.1c02209)发表,程明攀博士后为该论文第一作者。

有意思的是,与i-DNA互补的富含鸟嘌呤序列可形成另一种四链核酸—G-四链体(G4)。G4具有极其丰富的结构多样性(平行、杂合和反平行等),这是其实现基因表达调节、DNA复制启动以及遗传稳定性等生命功能的基础。当前,G4的体外研究工作主要集中在截短的DNA或RNA核心序列。然而,基因组中的G4结构并不是孤立存在的,其核心区域附近存在各种邻近序列,甚至其对面是可以与之互补配对的富C序列。在G4的应用中,往往需要在富G序列两端进行修饰,例如光镊、磁镊、原子力显微镜等单分子技术中的间隔序列。因此,一些基本的科学问题,如邻近末端序列对G4结构的影响机制、参与G4结构和功能的调控机制等,尚不清楚。

为了揭示这些科学问题,鞠熀先、Jean-Louis Mergny和周俊研究团队对371条富G序列开展研究,系统地考察了末端碱基对G4结构的影响。通过圆二色光谱考察G4结构在末端碱基添加后的变化,发现末端碱基的存在会使大部分的序列往平行结构转变。此现象被定义为“末端效应”,具有一定的序列和金属离子普适性:K+离子存在时,81.3%的序列符合“末端效应”;而Na+离子存在时,符合“末端效应”的序列达到92.3%。有意思的是,在碱基组成相同的一组序列中,末端碱基的存在促使富G序列形成结构和热稳定性更为接近的结构,也就是平行度更高的G4结构 (图3)。而且,“末端效应”具有末端选择性:5'-端碱基的添加更能使结构发生平行化,表明G4折叠过程中存在5'-3'不对称,其“末端效应”取决于loop的排列情况。

图3. 末端碱基存在时G4构象往平行度更高的结构转变。

 该团队进一步发现5'-“末端效应”具有长度依赖性,且第一个碱基是“末端效应”的主要原因。5'-末端G碱基在磷酸根不存在时,会与自身的羟基基团形成氢键,使结构倾向于形成非平行结构;而末端碱基的存在,破坏了该氢键的形成,使折叠过程倾向于形成平行度更高的结构(图4)。

另外,富G序列不应被视为“孤岛”,必须考虑loop、末端碱基(或者凸起)与G-平面之间的相互作用。

图4. 二维核磁共振技术确认“末端效应”。

 该工作最近以“The Beginning and the End: Flanking Nucleotides Induce a Parallel G-quadruplex Topology”为题,在生物领域权威期刊《Nucleic Acids Research》(IF:16.971)(https://doi.org/10.1093/nar/gkab681)发表,2015级直博生陈杰林(2020年毕业)为论文第一作者,鞠熀先、Jean-Louis Mergny和周俊为该工作的共同通讯作者。

这些工作得到国家自然科学基金、南京大学、中央高校业务经费和生命分析化学国家重点实验室的经费支持。