1953年沃森及克里克提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，完美解釋DNA遺傳物質(zhì)如何保存遺傳消息并準(zhǔn)確復(fù)制到下一代。DNA功能單純，不同蛋白質(zhì)承擔(dān)不同功能，從運(yùn)送氧氣、產(chǎn)生能量、消化食物、攻擊病菌到傳遞消息等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但此次發(fā)現(xiàn)顛覆人們的DNA結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，原來(lái)也有形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)并發(fā)揮不同功能的潛力。

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最近，《Nature》雜志一項(xiàng)新的研究表明，DNA可以通過(guò)形成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)來(lái)模擬蛋白質(zhì)的功能。該研究由威爾康奈爾醫(yī)學(xué)院和美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院下屬的國(guó)家心肺血液研究所的研究人員發(fā)起。

這項(xiàng)研究利用高清成像技術(shù)揭示了合成DNA分子的獨(dú)特和多方面的結(jié)構(gòu)。這種分子被設(shè)計(jì)用來(lái)模擬一種被稱為綠色熒光蛋白(GFP)的蛋白質(zhì)的行為。綠色熒光蛋白最初是從水母中提取出來(lái)的，現(xiàn)在已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)室的重要工具，作為細(xì)胞內(nèi)的發(fā)光標(biāo)記或信標(biāo)。

這一發(fā)現(xiàn)推進(jìn)了DNA如何折疊成復(fù)雜形狀的科學(xué)，并將幫助研究人員構(gòu)建用于各種實(shí)驗(yàn)室和臨床應(yīng)用的DNA分子。例如，模仿GFP的全DNA熒光標(biāo)簽通常是生物學(xué)研究和診斷測(cè)試試劑盒中標(biāo)記目標(biāo)DNA片段的理想選擇，而且制造成本相對(duì)較低。

RNA檢測(cè)在各種診斷和分析應(yīng)用中都很重要。RNA可以使用分子信標(biāo)快速檢測(cè)，分子信標(biāo)在與靶RNA雜交時(shí)發(fā)出熒光，但需要具有復(fù)雜熒光染料的寡核苷酸和猝滅劑偶聯(lián)物。在這里，描述了一種使用簡(jiǎn)單的未修飾的DNA寡核苷酸快速熒光檢測(cè)靶RNA的簡(jiǎn)化方法。為了檢測(cè)RNA，科學(xué)家開(kāi)發(fā)了Lettuce，這是一種熒光DNA適體，可以結(jié)合并激活DFHBI-1T的熒光，DFHBI-1T是一種非熒光分子，類似于綠色熒光蛋白中的發(fā)色團(tuán)。

基于與DFHBI瓊脂糖的結(jié)合，從隨機(jī)DNA文庫(kù)中選擇Lettuce。我們進(jìn)一步證明，Lettuce可以分裂成兩種獨(dú)立的寡核苷酸組分，這兩種組分本身是無(wú)熒光的，但當(dāng)靶RNA誘導(dǎo)其接近時(shí)會(huì)變?yōu)闊晒獾摹Ｗ髡咴O(shè)計(jì)了幾對(duì)分裂的Lettuce片段，其中含有額外的15-20個(gè)核苷酸。

“這些發(fā)現(xiàn)確實(shí)改變了我們對(duì)DNA的理解，”研究報(bào)告的合著者Samie Jaffrey博士說(shuō)。

在自然界中，DNA大多以雙鏈、“扭曲的階梯”或“螺旋”形式存在，并作為相對(duì)穩(wěn)定的遺傳信息存儲(chǔ)。細(xì)胞中所有其他復(fù)雜的生物過(guò)程都是由其他類型的分子完成的，尤其是蛋白質(zhì)。

去年，Jaffrey博士和他的同事報(bào)告說(shuō)，他們發(fā)現(xiàn)了一種這樣的分子:一種單鏈DNA，它的折疊方式可以模仿綠色熒光蛋白的活性。這種DNA分子的工作原理是，與另一個(gè)小有機(jī)分子結(jié)合，形成一種潛在的熒光“熒光團(tuán)”，與綠色熒光蛋白的核心分子類似，并以一種激活其熒光能力的方式擠壓它。研究人員展示了Lettuce-熒光團(tuán)組合作為快速檢測(cè)COVID-19病因SARS-CoV-2的熒光標(biāo)記。

Jaffrey博士和他的團(tuán)隊(duì)通過(guò)制造許多單鏈DNA，并篩選那些具有所需熒光團(tuán)激活能力的DNA，發(fā)現(xiàn)了Lettuce。但他們不知道Lettuce是用什么結(jié)構(gòu)獲得這種能力的。為了確定這種結(jié)構(gòu)，他們把這項(xiàng)新研究交給了他們的長(zhǎng)期合作伙伴，NHLBI高級(jí)研究員Adrian R. Ferré-D’Amaré博士。

這項(xiàng)研究是由Ferré-D’Amaré博士團(tuán)隊(duì)的研究員Luiz Passalacqua博士領(lǐng)導(dǎo)的，他們使用了包括低溫電子顯微鏡在內(nèi)的先進(jìn)結(jié)構(gòu)成像技術(shù)，以原子尺度分辨率分析Lettuce的結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)它折疊成一種形狀，在它的中心有一個(gè)DNA的四向連接，一種以前從未見(jiàn)過(guò)的類型，以一種激活熒光團(tuán)的方式包裹著它。

他們還觀察到，Lettuce的折疊是由核堿基之間的鍵結(jié)合在一起的。“我們發(fā)現(xiàn)的不是DNA試圖像蛋白質(zhì)一樣，這是一種DNA，它以自己獨(dú)特的方式發(fā)揮著綠色熒光蛋白的作用。”研究人員說(shuō)，這一發(fā)現(xiàn)將加速熒光DNA分子的發(fā)展，比如用于快速診斷測(cè)試的Lettuce，以及許多其他需要基于DNA的熒光標(biāo)簽的科學(xué)應(yīng)用。“這樣的研究對(duì)于創(chuàng)造新的基于DNA的工具至關(guān)重要，”Jaffrey博士說(shuō)。

參考文獻(xiàn):

Intricate 3D architecture of a DNA mimic of GFP” by Luiz F. M. Passalacqua, Michael T. Banco, Jared D. Moon, Xing Li, Samie R. Jaffrey and Adrian R. Ferré-D’Amaré, 21 June 2023, Nature.

Detection of SARS-CoV-2 RNA Using a DNA Aptamer Mimic of Green Fluorescent Protein” by Bria S. VarnBuhler, Jared Moon, Sourav Kumar Dey, Jiahui Wu and Samie R. Jaffrey, 26 March 2023, ACS Chemical Biology.