研究揭示新型DNA链置换反应

近期，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心研究员张钠课题组，依托稳态强磁场实验装置（SHMFF），揭示了G四链体中自发进行基于非经典Hoogsteen氢键配对的新型DNA链置换反应，实现了G四链体重组装。该团队解析了由一条靶标链和两条富G短链探针构成异三聚G四链体的核磁共振溶液结构。相关研究成果发表在《美国化学会志》（JACS）上。

DNA链置换反应通常基于经典Watson-Crick碱基配对原则，以一条DNA单链将另一条序列相似的目标DNA单链从所处的DNA双螺旋结构中置换出来。这种在DNA双链螺旋结构中进行的常规链置换反应，已被广泛应用于纳米分子组装、生物传感器、基因诊断与分子治疗等领域。

不同于DNA经典双螺旋结构，G四链体是由富含鸟嘌呤G的核酸序列折叠而成的独特拓扑结构，在人类基因组中分布广泛，在生物、医药等领域备受关注。G四链体具有丰富的结构多样性，根据核酸链聚集度可分为单聚、二聚或四聚G四链体，极少有三聚G四链体。G四链体结构具有优良的稳定性，通常不与其他富G序列进行链置换，长期以来G四链体被认为对富G链置换反应有惰性。

源于人类微管蛋白β2基因启动子区的DNA序列Tub10 d（CAGGGAGGGT）在K+溶液中完全折叠成具有良好热稳定性（Tm值57.7°C）的全平行自二聚G四链体。研究发现，尽管该G四链体在室温下足够稳定，但它在新型Hoogsteen氢键配对的链置换反应中并非惰性，而是可作为起始反应物自发地接受双份富G短链探针P1 d（TGGGA）的链置换进攻，获得由一条靶标链Tub10和两条探针链P1构成的全平行异三聚G四链体终产物Tub10/2P1，实现G四链体重组装。

科研人员利用液相核磁共振技术解析了全原子精细结构，揭示了不同DNA富G序列在相互识别时存在着靶标链与探针链之间独特的1:2结合模式。富G短链探针P1与传统反义探针相比具有更高的结合特异性，能特异性识别全平行二聚G四链体。富G短链探针P1可同时进攻双螺旋中的富G链与富C链，自发地将Tub10从双链螺旋中捕获出来，形成异三聚G四链体产物Tub10/2P1。

该研究揭示了由双份富G短链探针同时参与基于Hoogsteen氢键配对方式自发进行的新型链置换反应，拓展并补充了由Watson-Crick配对介导的常规核酸链置换反应，突破了G四链体呈现富G链置换惰性的传统认知。该成果为DNA纳米材料领域研究奠定了新的理论基础和实践基础，解决了目前多为相同富G链自组装的不足，利于获得更复杂、更多功能的全新纳米组装结构，并为靶向G四链体的新型富G探针设计提供了新思路。

研究工作得到国家自然科学基金和国家重点研发计划等的支持。