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)劉陽平教授、宋玉光副教授和談小莉博士。研究得到國家自然科學(xué)基金和科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的資助支持。
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)酶來調(diào)節(jié)和控制。DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶可通過催化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_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_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)說明質(zhì)粒DNA雙螺旋的缺口對(duì)其轉(zhuǎn)錄過程幾乎沒有影響。在轉(zhuǎn)錄過程中，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)錄過程中形成超螺旋，因此更加有利于轉(zhuǎn)錄過程的進(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。
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https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202002904
