近期,天津大學(xué)化工學(xué)院仰大勇教授課題組在化學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊Angewandte Chemie(德國(guó)應(yīng)用化學(xué))上發(fā)表關(guān)于手性碳量子點(diǎn)模擬拓?fù)洚悩?gòu)酶I調(diào)控超螺旋DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究,發(fā)現(xiàn)了手性碳量子點(diǎn)模擬拓?fù)洚悩?gòu)酶的作用機(jī)制,闡明印證了生命系統(tǒng)中基因轉(zhuǎn)錄的部分分子機(jī)制。天津大學(xué)化工學(xué)院李鳳副教授和博士研究生李帥為共同第一作者。合作者包括中科院生物物理所高利增研究員,天津醫(yī)科大學(xué)劉陽(yáng)平教授、宋玉光副教授和談小莉博士。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金和科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的資助支持。

天津大學(xué)仰大勇課題組《德國(guó)應(yīng)化》:手性碳量子點(diǎn)模擬拓?fù)洚悩?gòu)酶I調(diào)控超螺旋DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖1. 研究示意圖:手性碳量子點(diǎn)模擬拓?fù)洚悩?gòu)酶I調(diào)控超螺旋DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

 

DNA是一種雙螺旋結(jié)構(gòu)的生物大分子,是生命系統(tǒng)的核心遺傳物質(zhì),引導(dǎo)生物發(fā)育和生命機(jī)能運(yùn)作。DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)也稱DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),是指在DNA雙螺旋的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步扭曲所形成的特定空間結(jié)構(gòu)。超螺旋結(jié)構(gòu)是DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要形式,超螺旋密度由DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶來(lái)調(diào)節(jié)和控制。DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶可通過(guò)催化DNA鏈的斷裂和結(jié)合,從而控制DNA的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),對(duì)于DNA復(fù)制轉(zhuǎn)錄等生命活動(dòng)具有重要調(diào)控作用。其中,拓?fù)洚悩?gòu)酶I可催化DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中單條DNA鏈的瞬時(shí)斷裂和連接,且不需要能量輔因子如ATP或NAD。

仰大勇教授課題組發(fā)現(xiàn)以手性半胱氨酸為碳源合成的手性碳量子可模擬拓?fù)洚悩?gòu)酶I實(shí)現(xiàn)DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)控,且調(diào)控作用表現(xiàn)出手性依賴的差異性:D-碳量子點(diǎn)(D-CDs)可有效地將超螺旋質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂腥笨陂_(kāi)環(huán)構(gòu)象,L-碳量子點(diǎn)(L-CDs)催化的轉(zhuǎn)化率則遠(yuǎn)低于D-碳量子點(diǎn)。機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)手性碳量子可以嵌插入DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的堿基對(duì)之間,并有效催化活性氧的生成,從而造成單鏈DNA磷酸骨架的氧化斷裂,DNA由超螺旋構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)殚_(kāi)環(huán)構(gòu)象。分子動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)一步證明,相對(duì)于L-半胱氨酸,D-半胱氨酸與DNA之間可以形成更多的氫鍵和更低的結(jié)合自由能,D-CDs相對(duì)L-CDs與DNA具有更強(qiáng)的結(jié)合力,從而表現(xiàn)出更高的催化活性和調(diào)控作用。

考慮到DNA的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)其功能具有重要影響,作者在無(wú)細(xì)胞蛋白表達(dá)體系中,以可表達(dá)綠色熒光蛋白的質(zhì)粒DNA(p-eGFP)為模型,研究了手性碳量子點(diǎn)處理后的超螺旋質(zhì)粒DNA的蛋白表達(dá)功能。研究發(fā)現(xiàn)手性碳量子點(diǎn)處理后質(zhì)粒仍可進(jìn)行正常的綠色熒光蛋白表達(dá),且蛋白產(chǎn)量和表達(dá)速率較對(duì)照組具有一定程度的升高。這一發(fā)現(xiàn)說(shuō)明質(zhì)粒DNA雙螺旋的缺口對(duì)其轉(zhuǎn)錄過(guò)程幾乎沒(méi)有影響。在轉(zhuǎn)錄過(guò)程中,DNA雙鏈在RNA聚合酶內(nèi)部解旋,合成RNA后,RNA聚合酶沿著DNA雙鏈往前移動(dòng),移出RNA聚合酶的DNA重新結(jié)合成雙鏈結(jié)構(gòu),因此在整個(gè)轉(zhuǎn)錄過(guò)程中,DNA仍然保持完整的雙鏈結(jié)構(gòu),而不會(huì)因?yàn)槿笨诘拇嬖谑蛊湓谵D(zhuǎn)錄過(guò)程中斷裂。此外,作者推測(cè)由于缺口兩側(cè)的DNA可以自由旋轉(zhuǎn),不會(huì)在DNA轉(zhuǎn)錄過(guò)程中形成超螺旋,因此更加有利于轉(zhuǎn)錄過(guò)程的進(jìn)行。

本研究揭示了碳量子的手性特征對(duì)其生物催化性能的影響,利用碳量子點(diǎn)對(duì)DNA構(gòu)象的調(diào)控探索了DNA構(gòu)象對(duì)其基因功能的影響和機(jī)理,對(duì)理解DNA構(gòu)象關(guān)系和轉(zhuǎn)錄等生命過(guò)程具有重要啟示,在基因編輯和蛋白質(zhì)工程領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

原文鏈接:

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202002904

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