酶是一类具有生物催化功能的高分子物质,与生物系统的稳定运行关系密切。由于蛋白酶的环境敏感性,构建高催化能力、高稳定性的仿生模拟酶具有十分重要的意义。具有催化活性的G-四链体(G4)/血红素(hemin)DNA模拟酶由于其无需化学修饰、设计简单、酶活力高等优点而受到广泛关注,已成为新型仿生模拟酶开发的重点方向。近期,南京大学鞠熀先教授(点击查看介绍)、周俊副教授(点击查看介绍)团队在这一研究方向取得进展。
在G4/hemin领域,由分子内G4/hemin形成的DNA模拟酶已在生物催化、生物传感等领域得到广泛应用,但其活性与天然酶仍有差距。研究者通过各种方法提高该模拟酶的活性,包括:G4结构比较法(平行结构、反平行结构和杂合G4结构)、外加因子法(在酶反应体系中加入ATP、精胺等分子),发现hemin与G4主要通过末端π-π堆积,因此可以通过改造与G4末端平面靠近的flanking序列来提高其活性,当flanking序列由d(CCC)或dA(腺嘌呤)碱基组成时,酶活性得到了提高。
该团队从更精确的G4微观结构域出发,设计了不同组成的G4微观结构域(loop,flanking和bulge三个结构域,如图1所示),发现当loop结构域是dA或dC碱基时,DNA酶具有较高活性,而且具有长度依赖性(Chem. Eur. J.,2017, 23, 4210-4215)。
图1. G4结构的几种微观结构域:G-tract,Loop,Bulge,Flanking
针对这种长度依赖性,研究组进一步在loop结构域和flanking结构域设计了100多种不同组合的碱基组成,发现dA和dC碱基对G4/hemin DNA酶活性的激活能力具有位置依赖性,且同时存在于loop和flanking区域,该工作解释了dC碱基激活能力不如dA碱基的原因。作者还采用不同的方式(碳链或是双链)调节dA(或dC)碱基到G4末端平面之间的距离,确认该位置选择性的普适性,并提出了新的催化机制——临近碱基促进催化中间体生成(如图2所示)。该工作成功获得高活性的DNA酶,有望用于以G4/hemin为信号输出方式的生物传感,提高其检测灵敏度。
图2. 临近碱基促进催化中间体生成机制
这一工作发表于ACS Catal.,博士生陈杰林为第一作者,法国勃艮第大学David Monchaud教授、捷克科学院生物物理研究所Jiri Sponer教授和欧洲生物与化学研究所Jean-Louis Mergny教授参与了相关工作。
该论文作者为:Jielin Chen, Yingying Zhang, Mingpan Cheng, Yuehua Guo, Jiri Sponer, David Monchaud, Jean-Louis Mergny, Huangxian Ju, Jun Zhou
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How Proximal Nucleobases Regulate the Catalytic Activity of G-Quadruplex/Hemin DNAzymes
ACS Catal., 2018, 8, 12, 11352-11361, DOI: 10.1021/acscatal.8b03811
导师介绍
鞠熀先
https://www.x-mol.com/university/faculty/11571
周俊
https://www.x-mol.com/university/faculty/49526
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