杜再慧,羅云波,朱龍佼,許文濤,2*
1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院,北京 100083;2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué),農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全評(píng)價(jià)(食用)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;
核酸的堿基序列、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于生命遺傳和生理功能都起著至關(guān)重要的作用。天然存在的核酸包括DNA和RNA。核酸是由核苷酸通過磷酸二酯鍵組成,而核苷酸是由含氮堿基、戊糖和磷酸構(gòu)成。其中,堿基又分為嘧啶和嘌呤;構(gòu)成DNA的戊糖是D-2-脫氧核糖,構(gòu)成RNA的戊糖一般為D-核糖,某些RNA中的戊糖還有D-2-O-甲基核糖。因此,核酸的排列順序和結(jié)構(gòu)是多種多樣的。1953年Watson和Crick[1]首次提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型,標(biāo)志著分子生物學(xué)時(shí)代的到來,也使得核酸成為領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。對(duì)于核酸結(jié)構(gòu)的定義,狹義上可分為3類:DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)是指分子中脫氧核糖核苷酸的排列順序,即單個(gè)核苷酸通過磷酸二酯鍵連接起來(圖1)[2];DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)是指脫氧核糖核苷酸鏈通過氫鍵與其他核苷酸鏈配對(duì)或分子內(nèi)周期性折疊形成的螺旋結(jié)構(gòu),即雙螺旋結(jié)構(gòu)和本文介紹的DNA特殊二級(jí)結(jié)構(gòu);DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)是指雙螺旋的扭曲。最為常見的DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)為平行雙螺旋,它是由2條反向平行的DNA鏈構(gòu)成,中間由A-T、C-G堿基通過氫鍵進(jìn)行互補(bǔ)配對(duì),并形成2個(gè)溝槽[1]。
圖1 DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)[2]Fig.1 Primary structure of DNA[2]
目前已發(fā)現(xiàn)的DNA特殊二級(jí)結(jié)構(gòu)包括發(fā)卡(hairpin)、十字形(cruciform)、雙螺旋(double helix)、三螺旋(triplex)、G-四聯(lián)體(G-quadruplex)、G-三聯(lián)體(G-triplex)和i-motif等[3-5]。這些DNA特殊二級(jí)結(jié)構(gòu)在細(xì)胞進(jìn)化過程中起著重要的作用,它們分布在人類基因組的各個(gè)位置,時(shí)常與細(xì)胞的生長周期、功能和人類疾病等相關(guān)。Mergny和Hélène[6]在1998年首次提出了G-quadruplex與小分子化合物作用后具有抑制端粒酶的作用,由此也引發(fā)了研究人員對(duì)DNA特殊二級(jí)結(jié)構(gòu)及其功能的關(guān)注,重點(diǎn)研究其機(jī)理并將其應(yīng)用到疾病的診斷與治療以及納米智能材料、納米分子機(jī)器、生物傳感器等的研發(fā)中。本文主要介紹了G-quadruplex、G-triplex和i-motif 這3種DNA特殊二級(jí)結(jié)構(gòu),包括其發(fā)展史、結(jié)構(gòu)組成、特殊功能以及在生物傳感、納米材料、體內(nèi)檢測(cè)等方面的應(yīng)用。最后剖析了目前在DNA特殊二級(jí)結(jié)構(gòu)的研究中存在的問題與不足,并對(duì)其今后的研究方向做出了展望,以期為DNA特殊二級(jí)結(jié)構(gòu)在生物傳感、分子醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論支持。
G-quadruplex的研究進(jìn)程與端粒是密不可分的,這是由于端粒的本質(zhì)也是富含鳥嘌呤(G)的核酸序列。1962年Gellert等[7]通過X射線證明了4個(gè)鳥嘌呤(G)可以形成1個(gè)共平面的四聚體G-quartet,鳥嘌呤之間通過Hoogsteen氫鍵相互作用。又有研究人員通過X-射線衍射進(jìn)一步證明了poly(G)形成的G-quartet中每個(gè)鳥嘌呤之間是通過2個(gè)Hoogsteen氫鍵結(jié)合,并且作用位點(diǎn)分別在堿基的O6和N7之間[8]。而環(huán)狀平面G-quartet之間通過π-π堆積可以形成G-quadruplex結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)80年代,Blackburn所在團(tuán)隊(duì)證明端粒是真核細(xì)胞里線性染色體末端的一小段DNA重復(fù)序列,并與蛋白質(zhì)復(fù)合為非轉(zhuǎn)錄DNA提供緩沖物,保護(hù)染色體免于融合和退化[9]。同時(shí)期,Henderson等[10]證明G-quadruplex在生物體中也具有重要作用。隨后,2009年,Cheng等[11]發(fā)現(xiàn)了G-quadruplex與氯高鐵血紅素(hemin)結(jié)合具有類過氧化物酶活性,可以催化H2O2和底物發(fā)生顏色反應(yīng),這又?jǐn)U展了G-quadruplex的應(yīng)用。2017年,Guo等[12]發(fā)現(xiàn)了一種耐高溫的G-quadruplex結(jié)構(gòu),它可以與hemin在高溫條件下結(jié)合,復(fù)合物具有過氧化物酶活性。這對(duì)于生物酶大多不耐高溫的已知規(guī)律是一個(gè)完善與補(bǔ)充。
G-quadruplex核酸序列的排列多種多樣,而且相同的核酸序列在不同的條件下也可以形成不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),這決定了G-quadruplex結(jié)構(gòu)的多態(tài)性和特異性。G-quadruplex的折疊方式有分子內(nèi)折疊和分子間折疊(圖2),分子內(nèi)折疊是由1條鏈形成的四重折疊,分子間折疊是由2條鏈或4條鏈的聚合形成的四重折疊[13]。當(dāng)G-quadruplex形成分子內(nèi)折疊時(shí),由于核酸濃度的不同,G-quadruplex結(jié)構(gòu)也可以在分子間折疊和分子內(nèi)折疊相互轉(zhuǎn)換。根據(jù)G-quadruplex中鏈的走向還可以將其分成平行和反平行。圓二色譜顯示平行的G-quadruplex核苷酸鍵都是反式的,會(huì)在265 nm處出現(xiàn)陽性峰,在240 nm處出現(xiàn)陰性峰;反平行的G-quadruplex核苷酸鍵既有順式又有反式,會(huì)在295 nm處出現(xiàn)陽性峰,在260 nm處出現(xiàn)陰性峰[13]。
圖2 G-quadruplex的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[13]Fig.2 Representative topologies of G-quadruplex structures[13]
G-quadruplex在生物傳感器中最主要的應(yīng)用是作為輸出信號(hào):①由于G-quadruplex具有類過氧化物酶活性,可以催化H2O2和底物發(fā)生顏色反應(yīng),因此可用作比色輸出信號(hào);②較為常見的是G-quadruplex與一些小分子物質(zhì)結(jié)合,作為熒光輸出信號(hào);③G-quadruplex還可以和電化學(xué)分子結(jié)合,通過自身構(gòu)象變化引起電化學(xué)分子的變化,進(jìn)而作為電化學(xué)輸出信號(hào)。
G-quadruplex與氯高鐵血紅素(hemin)共孵育后具有類過氧化物酶活性,可以催化2,2′-聯(lián)氮-雙(3-乙基-苯并噻唑琳-6-磺酸)二胺鹽[2,2′-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)diammonium salt,ABTS2-]、3,3′,5,5′-四甲基聯(lián)苯胺(3,3′,5,5′-tetramethyl benzidine,TMB)等物質(zhì)發(fā)生顏色變化,進(jìn)而完成比色信號(hào)的輸出。如2018年Zhang等[17]采用等溫比色的方法對(duì)轉(zhuǎn)基因作物進(jìn)行檢測(cè)(圖3),在轉(zhuǎn)基因作物(genetically modified crops,GMC)的CaMV 35S存在時(shí),可以與富含G-quadruplex的發(fā)卡結(jié)構(gòu)結(jié)合激發(fā)核酸外切酶(exonuclease Ⅲ,Exo Ⅲ)的活性,促使富G序列暴露出來,折疊形成具有類過氧化物酶活性的結(jié)構(gòu),從而催化ABTS2-顯色,在420 nm處會(huì)出現(xiàn)最大吸收峰。采用Cu2+介導(dǎo)的基于G-quadruplex的DNA核酶(DNAzymes)構(gòu)建的無標(biāo)記的L-組氨酸生物傳感器,同樣利用了G-四聯(lián)體催化ABTS2-的原理[18]。
N-甲基嗎啡啉(N-methylmorpholine,NMM)、四氫噻吩(tetrahydrothiophene,ThT)、噻唑橙(thiazole orange,TO)等小分子物質(zhì)都可以與G-quadruplex結(jié)合發(fā)出熒光,進(jìn)而完成熒光信號(hào)的輸出。如2013年Tong等[19]基于ThT與特定G-quadruplex的構(gòu)象變化設(shè)計(jì)了一個(gè)無標(biāo)記“turn-on”生物傳感器,用于檢測(cè)生物硫醇的含量。這主要基于ThT與G-quadruplex結(jié)合的激發(fā)波長為440 nm,發(fā)射波長為485 nm,而其他小分子物質(zhì)與G-quadruplex結(jié)合的激發(fā)和發(fā)射各不相同。
此外,G-quadruplex還可以通過自身構(gòu)象變化引起電化學(xué)分子的變化,進(jìn)而完成電化學(xué)信號(hào)的輸出。2017年,Wang等[20]基于Cu2+-G-quadruplex DNAzyme的過氧化物酶活性完成了對(duì)焦磷酸酶(pyrophosphatase,PPase)的電化學(xué)檢測(cè)。由于焦磷酸酶可以催化Cu2+與焦磷酸鹽的復(fù)合物,使Cu2+可以完全游離出來,并與電極上的G-quadruplex折疊形成具有類過氧化物酶活性的物質(zhì),催化TMB顯色,并且可以根據(jù)H2O2反應(yīng)產(chǎn)生的定量的電流信號(hào),來完成對(duì)焦磷酸酶的檢測(cè)(圖4)。
端粒是DNA和蛋白質(zhì)結(jié)合的混合物,其中端粒DNA結(jié)構(gòu)是互補(bǔ)配對(duì)的雙螺旋DNA,但是在3′端有一段G單鏈懸垂區(qū)(G-overhang),這段單鏈在適宜條件下可以形成G-quadruplex。通過計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè),人類基因組中有300 000個(gè)序列單元(G≥3N1-7G≥3N1-7G≥3N1-7)有形成G-quadruplex結(jié)構(gòu)的可能,但要進(jìn)一步對(duì)體內(nèi)G-quadruplex結(jié)構(gòu)及位置進(jìn)行表征則需要一些特異性探針。細(xì)胞可視化方法是一種使特定DNA結(jié)構(gòu)可視化的方法,主要利用結(jié)構(gòu)選擇探針進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于抗體蛋白具有識(shí)別特定分子結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)特異性,常被用作選擇探針。G-quadruplex的第一個(gè)抗體是由Schaffitzel等[21]于2001年發(fā)現(xiàn)的,命名為scFV,接下來又相繼發(fā)現(xiàn)了BG4[22]、1H6[23]等抗體。利用G-quadruplex的抗體即可完成體內(nèi)G-quadruplex結(jié)構(gòu)和位置的表征。
注:UMB:無標(biāo)記分子信標(biāo),unlabeled molecular beacon。圖3 G-quadruplex催化ABTS2-顯色檢測(cè)GMC的原理圖[17]Fig.3 Schematic of G-quadruplex catalyzed ABTS2- for detection GMC[17]
注:MCH:巰基乙醇,mercaptohexanol;SPGE:絲網(wǎng)印刷金電極,screen-printed gold electrode。圖4 G-quadruplex催化TMB顯色檢測(cè)焦磷酸酶電化學(xué)生物傳感器[20]Fig.4 Electrochemical biosensor based on G-quadruplex catalytic TMB for detection pyrophosphatase[20]
有研究表明,細(xì)胞每分裂一次,染色體末端的端粒就會(huì)縮短一部分,當(dāng)端??s短到臨界長度,細(xì)胞開始凋亡[24]。但在癌細(xì)胞中存在一種特殊的DNA聚合酶,即端粒酶,它可以穩(wěn)定端粒長度使癌細(xì)胞永生化。而當(dāng)端粒末端的G-overhang形成G-quadruplex時(shí)就可以抑制端粒酶的活性,甚至可以殺死癌細(xì)胞。因此,G-quadruplex可以作為抗癌藥物的靶點(diǎn)。為了促進(jìn)G-quadruplex的形成,研究集中于可以與G-quadruplex穩(wěn)定結(jié)合的小分子,進(jìn)而對(duì)癌癥的診斷治療起作用。Liu等[25]在單細(xì)胞水平上,利用末端脫氧核苷酸轉(zhuǎn)移酶(terminal deoxynucleotidyl transferase,TdT)激活G-quadruplex的合成,對(duì)凋亡細(xì)胞進(jìn)行沒有標(biāo)記的原位生物成像(圖5)。TdT是一種特殊的DNA聚合酶,在沒有模板存在的情況下,可以催化脫氧核糖的3’-OH端延伸。以凋亡細(xì)胞內(nèi)的片段DNA作為TdT延伸的起始位點(diǎn),形成大量的G-quadruplex,與特異性染料ThT結(jié)合,熒光信號(hào)增強(qiáng),對(duì)凋亡細(xì)胞進(jìn)行“turn-on”檢測(cè)。這種TdT激活G-quadruplex合成的實(shí)驗(yàn)(TdT-activateddenovoG-quadruplex synthesis,TAGS)具有高特異性、高敏感性,可靈活的應(yīng)用于多水平的生物系統(tǒng)。并且這種“混合-讀數(shù)”成像的方法避免了標(biāo)記核酸以及清洗的步驟。更重要的是,G-quadruplex靶向熒光探針具有多樣性和功能性,具有較大的應(yīng)用潛力。
圖5 利用TAGS分析進(jìn)行細(xì)胞凋亡原位檢測(cè)的原理圖[25]Fig.5 Schematic presentation of in situ cell apoptosis detection utilizing TAGS assay[25]
2013年,Limongelli等[26]在探究結(jié)合金屬離子形成四螺旋體結(jié)構(gòu)的凝血酶適體DNA[d(GGTTGGTGTGGTTGG),TBA]時(shí),首次發(fā)現(xiàn)了一種不同于已發(fā)現(xiàn)的DNA二級(jí)結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)是TBA序列后面的“TTGG”核酸去掉形成的一種類似于G-quadruplex的G-triplex結(jié)構(gòu)。G-triplex也有類似于G-quartet的共平面三聚體,是由3個(gè)鳥嘌呤堿基之間通過Hoogsteen氫鍵相連形成的G-triad,2個(gè)G-triad相互堆積形成G-triplex(圖6)。但G-triad需要在較為苛刻的條件(70 mmol/L KCl)下形成[28],一般沒有G-quadruplex穩(wěn)定。除了結(jié)構(gòu)相似,G-triplex與G-quadruplex一樣都具有類過氧化物酶活性[29],這拓展了G-triplex的應(yīng)用范圍。并且,2016年,Xu等[30]首次發(fā)現(xiàn)G-triplex與Cu2+結(jié)合可以催化Diels-Alder反應(yīng),進(jìn)一步擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。
圖6 G-triad和G-triplex的結(jié)構(gòu)[27]Fig.6 Structure of G-triad and G-triplex[27]
G-triplex結(jié)構(gòu)受核酸分子擁擠程度、金屬離子濃度等的影響。金屬離子對(duì)G-triplex的穩(wěn)定能力的順序?yàn)镃a2+>K+>Mg2+>Na+[27]。Ca2+無論在稀溶液中還是在核酸分子擁擠溶液中,都會(huì)促使平行的G-triplex的形成。即便G-triplex在分子擁擠和Ca2+同時(shí)存在的情況下,它由2個(gè)G-triad形成的結(jié)構(gòu)熔解溫度也比生理溫度低;而由3個(gè)G-triad形成的結(jié)構(gòu)熔解溫度是非常高的,尤其是在K+或Ca2+和分子擁擠同時(shí)存在的情況下,這也暗示著G-triplex可以在生理?xiàng)l件下存在。K+和G-triplex結(jié)合是放熱反應(yīng);Ca2+和G-triplex結(jié)合是吸熱反應(yīng)。值得特別注意的是,Ca2+對(duì)生理活動(dòng)是非常重要的金屬離子,它對(duì)G-triplex起到穩(wěn)定作用,由此可以推測(cè)出G-triplex對(duì)人體的生命活動(dòng)也發(fā)揮著重要作用。
2014年,Ma等[31]人工合成了一種化合物Ir(III),它可以與G-triplex結(jié)合發(fā)冷光,通過這種方式無標(biāo)記定量檢測(cè)了綠豆芽核酸酶活性。最新的研究表明,假設(shè)G-triplex具有與G-quadruplex相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)及功能,則穩(wěn)定的G-triplex可以結(jié)合ThT作為高效的熒光探針[32]。與傳統(tǒng)的G-quadruplex相比,G-triplex探針更易控制和激發(fā)活性,所以可以將這個(gè)探針應(yīng)用于生物傳感器,以提高檢測(cè)效率。
生物體內(nèi)基因富含鳥嘌呤(G),根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則,其互補(bǔ)序列中必然富含胞嘧啶(C)。1993年,Gehring等[33]在研究DNA序列d(TCCCCC)在弱酸條件下的二級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí),利用核磁共振首次提出了i-motif四聯(lián)體結(jié)構(gòu)。它是一種插層結(jié)構(gòu),即2條胞嘧啶鏈利用C∶C+配對(duì)形成1個(gè)平行雙螺旋結(jié)構(gòu),和另外2條雙螺旋鏈頭尾交插。1994年,Manzini等[34]利用圓二色譜法證明(C3AT2)C3T形成了i-motif結(jié)構(gòu)。由于i-motif結(jié)構(gòu)需要在pH比較低的情況下形成,所以大部分關(guān)于i-motif結(jié)構(gòu)的研究都只是在體外進(jìn)行。2000年,Phan和Leroy[35]得到了人端粒DNA序列在溶液中形成的i-motif結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)。
I-motif結(jié)構(gòu)與G-quadruplex結(jié)構(gòu)分類類似,通過i-motif形成的核酸鏈可以分為單體i-motif [d(CCCTAACCCTAACCCTAACCC)]、雙聚體i-motif [d(CCCTAACCC)]、四聚體i-motif [d(CCCTAA)],結(jié)構(gòu)如圖7所示[36]。如果由1條鏈經(jīng)分子間折疊構(gòu)成單體i-motif結(jié)構(gòu)時(shí),會(huì)存在2種構(gòu)型:5′E和3′E。當(dāng)閉合的C∶C+堿基對(duì)在5′端時(shí)形成的結(jié)構(gòu)叫做5′E,而在3′端時(shí)叫做3′E。而四聚體i-motif有S型、R型和T型之分,當(dāng)溫度在15~50 ℃時(shí),R型最穩(wěn)定,S型次之,T型最不穩(wěn)定。富C序列在pH 5的條件下折疊成i-motif結(jié)構(gòu),而在pH 8的條件下去折疊,在這種折疊和去折疊過程的時(shí)間尺度約在100 ms。RNA i-motif的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,是由于它比DNA i-motif結(jié)構(gòu)缺少了1對(duì)2’-OH/2-’OH的排斥作用。i-motif結(jié)構(gòu)通常受到溫度、pH、磷酸骨架結(jié)構(gòu)、連續(xù)胞嘧啶的序列、loop區(qū)、分子擁擠環(huán)境以及羧基修飾的碳納米管或石墨烯量子點(diǎn)等條件的影響。
圖7 i-motif的結(jié)構(gòu)[36]Fig.7 The structure of i-motif[36]
DNA分子被廣泛用作納米材料(2D/3D結(jié)構(gòu)和連鎖組件)的原料,DNA納米結(jié)構(gòu)可以通過DNA的可編程性進(jìn)行功能化。其中多個(gè)的DNA單元,如G-quadruplex、i-motif被廣泛用于DNA納米技術(shù),這些四聯(lián)體具有共同的特點(diǎn),即根據(jù)核酸序列和外界條件的變化,它們的折疊類型也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變,這使得它們可以作為通用的DNA納米結(jié)構(gòu)使用。Li和Famulok[37]通過調(diào)控pH控制i-motif結(jié)構(gòu)的收縮和擴(kuò)張,使得納米環(huán)自身收縮、兩兩相互作用或形成三聚環(huán)等,進(jìn)而構(gòu)建了不同的DNA納米環(huán)。這開辟了一種納米結(jié)構(gòu)形成的新方式,后續(xù)也可應(yīng)用于生物傳感器的構(gòu)建。
雖然i-motif在體外形成插層結(jié)構(gòu)已被證實(shí),但是在人類基因組內(nèi),這種四聯(lián)體的DNA結(jié)構(gòu)一直存在爭議。因此,Daniel Christ所在團(tuán)隊(duì)通過篩選得到了1個(gè)i-motif結(jié)構(gòu)的特異性抗體iMab,該抗體對(duì)i-motif結(jié)構(gòu)具有高選擇性和高親和力,利用該抗體第一次直接可視化的證明了人類細(xì)胞核中存在i-motif結(jié)構(gòu),并論證了i-motif結(jié)構(gòu)依賴于細(xì)胞循環(huán)周期和pH,i-motif插層結(jié)構(gòu)可以在體內(nèi)形成,這為i-motif結(jié)構(gòu)在人類基因組的調(diào)控區(qū)域的形成提供了證據(jù)[38]。
目前,G-quadruplex、G-triplex、i-motif這3種DNA特殊二級(jí)結(jié)構(gòu)不僅在體外適宜條件下得到了較為深入的研究,在體內(nèi)的作用也經(jīng)過了初步驗(yàn)證。尤其是在端粒末端、原癌基因啟動(dòng)子區(qū)域中G-quadruplex和i-motif的普遍存在,間接說明這些特殊的二級(jí)結(jié)構(gòu)具有調(diào)控基因翻譯、轉(zhuǎn)錄以及作為抗癌藥物靶點(diǎn)等的功能。目前,對(duì)于這些DNA特殊二級(jí)結(jié)構(gòu)的研究也主要集中在調(diào)節(jié)機(jī)制、體外檢測(cè)(如生物傳感器)、體內(nèi)基因調(diào)控和癌癥的預(yù)防和治療上。雖然研究人員已經(jīng)對(duì)它們的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的表征,并且證明了其具有在正常生理代謝中潛在的調(diào)控功能,但是由于堿基種類繁多,排列方式多樣,目前發(fā)現(xiàn)的具有特殊結(jié)構(gòu)及功能的核酸序列也僅僅是眾多核酸中的一小部分,還有很多的具有功能的核酸序列及其特殊的二級(jí)結(jié)構(gòu)有待開發(fā)利用。同時(shí),隨著科技的進(jìn)步、技術(shù)的創(chuàng)新,基于G-quadruplex、G-triplex、i-motif結(jié)構(gòu)對(duì)相關(guān)基因進(jìn)行調(diào)節(jié)與藥物的研發(fā)和遞送,特別是它們?cè)谏飩鞲衅髦械膽?yīng)用,也會(huì)受到各相關(guān)研究領(lǐng)域的重視。