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近期，中國科學院合肥物質院強磁場中心張鈉研究員課題組依托穩態強磁場實驗裝置（SHMFF），首次揭示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G四鏈體重組裝。團隊解析了首個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。研究成果發表在國際期刊Journal of the American Chemical Society。
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，備受生物、醫藥等領域關注。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，極少有關于三聚G四鏈體的研究報道。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四鏈體一直被認為對富G鏈置換反應有惰性。
源于人類微管蛋白 2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。在本研究中發現，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，而是能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，成功實現G四鏈體重組裝。
研究人員利用液相核磁共振技術對其全原子精細結構進行了解析，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還可以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。
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；為DNA納米材料領域研究提供新的理論和實踐基礎，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構；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，該研究獲得了國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的經費資助。
文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c05617
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
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