Angew. Chem.：非天然碱基通过Watson-Crick空间构象“骗过”DNA聚合酶

DNA聚合酶的保真性主要通过在碱基插入位点的碱基识别实现，为研究DNA聚合酶的碱基识别机理很多非天然碱基被设计和合成，这些研究表明在DNA聚合酶活性位点形成Watson-Crick空间构象对于碱基识别至关重要。除了人工设计的非天然碱基，DNA上也存在天然修饰碱基，比如5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine, 5mC）被认为是第五种碱基，具有重要的生物学功能。另外，在DNA主动去甲基化过程氧化生成5-醛基胞嘧啶（5-formylcytosine，5fC）等衍生物。近期北京大学生命科学学院伊成器（点击查看介绍）课题组发现化合物丙二腈和1,3-茚二酮可以特异性标记基因组上的5fC，分别生成非天然胞嘧啶碱基M-fC和I-fC。 M-fC/I-fC在DNA复制过程特异性实现C到T转变，这难以用现有的碱基识别机理解释。最近，伊成器课题组和北京大学化学与分子工程学院高毅勤（点击查看介绍）课题组通过晶体学实验和化学模拟计算结合，从分子层面解析了M-fC/I-fC实现C到T转变非分子机理。

研究人员首先解析了M-fC/I-fC在DNA双链上与dA配对的晶体结构，结果显示M-fC/I-fC与dA配对的空间构象与正常dT:dA配对的空间构象基本一样，这说明M-fC/I-fC可以和dA在DNA双链上以Watson-Crick空间构象配对。为探究非天然胞嘧啶碱基在DNA复制过程怎样和进入DNA聚合酶活性位点的dATP配对，研究人员接下来解析了M-fC在DNA聚合酶活性位点与dATP配对的晶体结构。将M-fC:dATP的结构与dT:dATP的结构比较，研究人员发现M-fC:dATP配对可诱导DNA聚合酶转变成有催化活性的“关闭“构象，并且模板上的M-fC可以和插入的dATP在DNA聚合酶活性位点以Watson-Crick构象配对。

因为M-fC和I-fC只特异性和dATP配对而不和dGTP配对，研究人员接下来研究了不和dGTP配对的判别机理。分子动力学模拟结果显示M-fC在DNA聚合酶活性位点与dGTP以wobble构象配对。研究人员也解析了M-fC与dG在DNA双链上配对的晶体结构，结果显示M-fC与dG在DNA双链上以wobble构象配对，支持分子动力学模拟计算结果。这些结果说明dGTP因为不能在活性位点与非天然胞嘧啶碱基形成Watson-Crick碱基配对，而被DNA聚合酶当做错误碱基。

引物延伸实验结果表明DNA聚合酶在非天然胞嘧啶碱基对面合成dATP的效率远小于正常dT碱基，这和脱碱基位点类似，暗示DNA聚合酶的“腺嘌呤偏好性（The A-rule）“可能参与了对非天然胞嘧啶碱基的识别。

研究结果表明非天然胞嘧啶碱基通过DNA聚合酶的空间构象识别机制实现C到T转变，说明Watson-Crick空间构象对于非天然碱基的识别非常重要，并且这种构象可能通过DNA聚合酶的“腺嘌呤偏好性“实现，这加深了DNA聚合酶对于非天然碱基识别的认识。

该论文作者为：Chengqi Yi, Hu Zeng, Manas Mondal, Ruyi Song, Jun Zhang, Bo Xia, Menghao Liu, Chenxu Zhu, Bo He, Yi Qin Gao

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Unnatural cytosine bases recognized as thymines by DNA polymerases via the formation of the Watson-Crick geometry

Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201807845

导师介绍

伊成器

http://www.x-mol.com/university/faculty/50004

高毅勤

http://www.x-mol.com/university/faculty/8698

（本稿件来自Wiley）