Nature | 揭秘可模拟绿色荧光蛋白（GFP）的DNA复杂三维结构

撰文 | Enigma

RNA分子可以形成具有特殊生化功能的复杂三维结构，那么DNA是否具有同样的性质仍难以确定。自然界中DNA一般以双螺旋形式存在，整体构象主要依赖碱基序列。目前已发现了一些功能性DNA分子，普遍认为同RNA一样，该类分子中非螺旋部分形成的非经典三维结构是分子具有特殊生化功能的关键。但迄今为止，这种生化功能背后的结构基础仍鲜为人知。

近日，来自美国国立卫生研究院的Adrian R. Ferré-D’Amaré课题组在Nature上发表了题为Intricate 3D architecture of a DNA mimic of GFP的研究论文。该研究从之前报告的一种名为“Lettuce”的GFP的DNA模拟物入手，其中Lettuce可识别DFHB1-1T等小分子产生荧光，解析了Lettuce与DFHB1-1T的共晶结构，分辨率达到2.5 Å，揭示了DNA作为GFP模拟物的机理。

在共晶结构中，Lettuce的功能核心呈现缠绕的三维结构（图1）。两端是B型双链 （分别称为P1、P2，后者由一个三核苷酸环覆盖） ，连接这些双链的两条单链在两侧自折叠形成两个茎环 （茎中有非经典碱基对） ，即P1.1和P2.1。这种四向结的三叶草二级结构采取两个同轴堆积形成的三维折叠形式 （P1.1堆在P1上，P2.1堆在P2上） ，两种堆积几乎共线性地贴合在约66 Å长的DNA折叠的中心。为了实现这点，P1.1包在P2底部加宽的小沟上，而P2.1包在P1后面的大沟上。这样，Lettuce中心的四条链紧密排列，组装成由两个经典G四链体形成的反平行G四链体。单个DFHBI-1T分子结合在Q2和P1.1之间。DNA分子折叠似乎与其小分子配体无关，因为结合荧光团和无荧光团的Lettuce的CD光谱中都显示有G四链体的存在，而且对无配体的DNA进行单颗粒冷冻电镜分析得到的电位图表明DNA是单体的，总体上与有配体的结构类似。

图1. Lettuce荧光开启DNA适体的整体结构。

Lettuce的荧光结合位点由G四链体的Q2、相邻的四条DNA链、P2.1中的C20和一个单价阳离子组成。作者在不同场景中分别采用Tl+和K+，离子均结合在四链体的四重轴上，具体说，前者在Q1和Q2之间，后者在Q2的鸟嘌呤残基的羰基氧分子，A11的N1亚胺氮和结合的DFHBI-1T的酚酸氧上。荧光团的酚酸盐也与A11的N6胺形成氢键，苯环夹在G18和C17•G26碱基对之间。苯环上的两个氟取代基也可与A11的N6和G44的N2发生弱极性相互作用。荧光团的咪唑酮环不与DNA分子形成氢键，咪唑酮上的三氟甲基取代基与C20碱发生范德华接触。A11碱基未配对，但似乎是由K+协调和夹在Q2和T12•C17•G26三碱基之间。有趣的是G44的构象，其碱基相对于G26(以及Lettuce的大多数同轴堆叠核苷酸)的碱基呈55°角。这种排列使得G44-G26形成氢键，同时使G44的N2靠近荧光团的一个氟(3 Å)。A43也处于相同角度，这样它能够同时包在T12•C17•G26和G13•G16•C27三碱基组上。这些非经典的相互作用共同构成Lettuce的荧光团结合位点。

Lettuce的致密折叠似乎是通过碱基层层堆叠、大量的非沃森-克里克碱基对、三重和四重碱基组，以及P1.1和P2.1中的二价阳离子配位来稳定的。作者通过缩短P1、P2以及引入突变等操作，对结构进行优化，开发出新型的“Bibb Lettuce”。该DNA标签比亲本Lettuce小37%并具有更强的荧光，通过该标签可直接监测双链DNA中挤出单链的过程。

作者提出的荧光团-Lettuce的共晶结构提供了第三类生物分子如何激活条件荧光团的原子水平信息，他们比较了GFP、RNA适体Spinach-DFHB1复合物、RNA适体Chili和Lettuce的荧光团结合位点，解释了三种生物聚合物的不同化学特性如何响应相似的选择压力。对Lettuce的结构分析表明，尽管脱氧核糖在氢键中的用途不如核糖多，但核糖2'-OH官能团立体体积的减少可以使DNA紧密地包裹起来。作者对Lettuce的晶体学和低温电镜分析将先前对较小的DNA适体以及DNA-RNA复合物的结构研究扩展到功能性的全DNA分子上，揭示出功能性DNA分子采用与功能性RNA分子不同的结构策略，不仅如此，复杂DNA分子的分析还将提出新的核酸三维组构的准则。

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06229-8