近期，中国科学院合肥物质院强磁场中心张钠研究员课题组依托稳态强磁场实验装置（SHMFF），首次揭示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G四链体重组装。团队解析了首个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。研究成果发表在国际期刊Journal of the American Chemical Society。
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，备受生物、医药等领域关注。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四链体的报道。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四链体一直被认为对富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。在本研究中发现，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，而是能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，成功实现G四链体重组装。
研究人员利用液相核磁共振技术对其全原子精细结构进行了解析，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还可以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。
本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、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；为DNA纳米材料领域研究提供新的理论和实践基础，解决目前多为相同富G链自组装的不足，有利于获得更复杂、更多功能的全新纳米组装结构；还为靶向G四链体的新型富G探针设计开辟了新思路。
强磁场中心博士研究生胡文萱与博士后景海涛为本论文的共同第一作者，北京大学周江教授署名合作，强磁场中心张钠研究员为通讯作者，该研究获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的经费资助。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c05617
图1：双份富G短链探针与自二聚G四链体起始物通过新型Hoogsteen链置换反应重新组装成异三聚G四链体
图2：异三聚G四链体Tub10/2P1的核磁共振溶液结构