纳米孔传感策略探究DNA组装构象的多样性

DNA携带有合成RNA和蛋白质所必需的遗传信息，是生物体发育和正常运作必不可少的生物大分子。DNA碱基之间通过Watson-Crick氢键和Hoogsteen氢键相互作用不仅可以形成典型的右手双螺旋的B-DNA，还可以形成左手双螺旋的Z-DNA或三链DNA等。此外，DNA在构建纳米结构材料方面也有广泛的应用，通过在DNA链中引入非天然碱基可以改变DNA链之间的氢键作用、疏水相互作用或金属配位作用，从而提高纳米材料的复杂性和多样性。研究发现，有些有机小分子与特定的DNA序列具有很强的亲和力，能够诱导DNA链形成新的组装模式。近年来，虽然DNA组装研究领域取得了显著进展，但用于确定DNA组装构象的方法仍然非常有限。

最近，中国科学院化学研究所的吴海臣研究员团队发展了一种纳米孔传感策略来探究DNA组装构象的多样性。他们将含有寡核苷酸链(dC)₃₀尾巴的单链DNA组装成双链体(D1, D2)、三链体(T1, T2)或者将单链DNA与有机小分子组装成双链(Me)或三链(Cy)复合结构 (图1)。当将这些组装体穿越α-溶血毒素纳米孔（αHL）时，会产生不同的特征电流信号。通过对这些特征信号的统计分析，可以推断出不同DNA与不同有机小分子的组装模式。另外，此方法还可以监测溶液中DNA纳米结构的解体行为。

图1. αHL纳米孔以及DNA组装体的结构示意图

三聚氰胺 (Melamine) 具有三个可与胸腺嘧啶互补的面，并且有报道指出，它能够与两条聚(dT)链结合形成双链复合物，但组装结构的构象未知。因此，研究人员设计了一条单链DNA (5’-T₂₀C₃₀-3’)与三聚氰胺形成双链体复合物(Me)，也设计了(dC)₃₀尾巴在同一端或分别在两端的天然碱基配对双链体(D1和D2)，并将这三种双链复合物穿越αHL时产生的长阻滞电流信号进行了对比，发现poly(dT)与三聚氰胺作用时采用平行同向组装的模式形成双链体 (图2)。随后，他们又利用荧光猝灭实验再次证明了此结论。

图2. D1 (a)，D2 (b)和Me (c)双链体的特征电流信号示意图

有文献报道三聚氰酸 (cyanuric acid) 能够与聚(dA)链形成Rosette花环结构 (图1e)。在此工作中，研究人员利用一条单链DNA (5’-A₂₀C₃₀-3’)与三聚氰酸形成三链体复合物(Cy)，并将此三链复合物穿越αHL时产生的长阻滞电流信号与天然碱基形成的三链结构(T1和T2)进行对比 (图3)。研究结果表明，poly(dA)与三聚氰酸作用时采用平行同向组装模式形成三链体。

图3. T1 (a)，T2 (b)和Cy (c)三链体的特征电流信号示意图

该研究团队建立的区分不同DNA组装体的构象多态性的方法具有一定的普适性。通过给单链DNA加上poly(dC)₃₀尾巴，并记录组装体穿过αHL时产生的不同电流信号，可以区分一系列双链体、三链体或其他DNA复合结构的构象。另外，此方法还可以监测改变pH值后溶液中DNA组装体的状态变化。这种方法是对现有的圆二色光谱 (CD)、荧光和核磁共振波谱法 (NMR) 等传统技术的一个很好的补充，并具有分辨率高和通用性好等显著优势。

相关工作发表于Anal. Chem.上。

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Probing Conformational Polymorphism of DNA Assemblies with Nanopores

Yingying Sheng, Ke Zhou, Quansheng Liu, Lei Liu, Hai-Chen Wu

Anal. Chem., 2020, 92, 7485–7492, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b05650