天津大學仰大勇課題組《德國應化》:手性碳量子點模擬拓撲異構酶I調控超螺旋DNA拓撲結構

近期,天津大學化工學院仰大勇教授課題組在化學領域權威期刊Angewandte Chemie(德國應用化學)上發表關於手性碳量子點模擬拓撲異構酶I調控超螺旋DNA拓撲結構的研究,發現瞭手性碳量子點模擬拓撲異構酶的作用機制,闡明印證瞭生命系統中基因轉錄的部分分子機制。天津大學化工學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,天津醫科大學劉陽平教授、宋玉光副教授和談小莉博士。研究得到國傢自然科學基金和科技部重點研發項目的資助支持。

天津大學仰大勇課題組《德國應化》:手性碳量子點模擬拓撲異構酶I調控超螺旋DNA拓撲結構
圖1. 研究示意圖:手性碳量子點模擬拓撲異構酶I調控超螺旋DNA拓撲結構。

DNA是一種雙螺旋結構的生物大分子,是生命系統的核心遺傳物質,引導生物發育和生命機能運作。DNA的高級結構也稱DNA拓撲結構,是指在DNA雙螺旋的基礎上,進一步扭曲所形成的特定空間結構。超螺旋結構是DNA拓撲結構的主要形式,超螺旋密度由DNA拓撲異構酶來調節和控制。DNA拓撲異構酶可通過催化DNA鏈的斷裂和結合,從而控制DNA的拓撲結構,對於DNA復制轉錄等生命活動具有重要調控作用。其中,拓撲異構酶I可催化DNA雙螺旋結構中單條DNA鏈的瞬時斷裂和連接,且不需要能量輔因子如ATP或NAD。

仰大勇教授課題組發現以手性半胱氨酸為碳源合成的手性碳量子可模擬拓撲異構酶I實現DNA拓撲結構的調控,且調控作用表現出手性依賴的差異性:D-碳量子點(D-CDs)可有效地將超螺旋質粒DNA轉變為具有缺口開環構象,L-碳量子點(L-CDs)催化的轉化率則遠低於D-碳量子點。機理研究發現手性碳量子可以嵌插入DNA雙螺旋結構的堿基對之間,並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由超螺旋構象轉變為開環構象。分子動力學模擬進一步證明,相對於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合自由能,D-CDs相對L-CDs與DNA具有更強的結合力,從而表現出更高的催化活性和調控作用。

考慮到DNA的拓撲結構對其功能具有重要影響,作者在無細胞蛋白表達體系中,以可表達綠色熒光蛋白的質粒DNA(p-eGFP)為模型,研究瞭手性碳量子點處理後的超螺旋質粒DNA的蛋白表達功能。研究發現手性碳量子點處理後質粒仍可進行正常的綠色熒光蛋白表達,且蛋白產量和表達速率較對照組具有一定程度的升高。這一發現說明質粒DNA雙螺旋的缺口對其轉錄過程幾乎沒有影響。在轉錄過程中,DNA雙鏈在RNA聚合酶內部解旋,合成RNA後,RNA聚合酶沿著DNA雙鏈往前移動,移出RNA聚合酶的DNA重新結合成雙鏈結構,因此在整個轉錄過程中,DNA仍然保持完整的雙鏈結構,而不會因為缺口的存在使其在轉錄過程中斷裂。此外,作者推測由於缺口兩側的DNA可以自由旋轉,不會在DNA轉錄過程中形成超螺旋,因此更加有利於轉錄過程的進行。

本研究揭示瞭碳量子的手性特征對其生物催化性能的影響,利用碳量子點對DNA構象的調控探索瞭DNA構象對其基因功能的影響和機理,對理解DNA構象關系和轉錄等生命過程具有重要啟示,在基因編輯和蛋白質工程領域具有應用潛力。

原文鏈接:

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

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