利用碱基互补配对的DNA特异性杂交不仅在生物过程中起着重要的作用，而且在基于DNA的材料开发中也发挥着重要作用。为了控制合成DNA材料的结构和功能，刺激依赖性调控DNA碱基配对受到了广泛的关注。金属介导的人工碱基对，由两个配体型核酸碱基类似物和一个桥联金属离子组成，因其只在特定金属离子存在下形成，是一种具有高刺激响应性的结构基序。金属介导的碱基配对可以增强DNA双链的稳定性，因此被用于DNA结构的金属响应转换和脱氧核酶(DNA酶)的变构调节。例如已经报道的5-羟基尿嘧啶(U^OH)碱基既能形成氢键碱基对(U^OH−A)，又能形成金属介导的同源碱基对(U^OH−Gd^III−U^OH)，具有金属介导的碱基对切换的能力。

成果简介

近期，日本东京大学Mitsuhiko Shionoya教授在《J. Am. Chem. Soc.》上发表了题为“Metal-Dependent DNA Base Pairing of 5‑Carboxyuracil with Itself and All Four Canonical Nucleobases”的研究论文。在该研究中，他们发现了5-羧基尿嘧啶(caU)不仅可以通过氢键与A (caU−A)配对，还可以利用金属配位键与其他DNA核酸碱基配对，并通过双链熔融分析−质谱分析证明了caU−Cu^II−caU、caU−Ag^I−C等的形成对于金属离子的依赖性，以及金属离子对该类结构的稳定作用。该研究为利用caU碱基来构建多种金属DNA超分子和金属响应的DNA器件提供了一个新的方向。

图文解读

图1. 金属离子介导的caU碱基配对的原理图。caU-A之间利用氢键进行互补配对；caU-T和caU-C利用金属离子与碱基上N的配位来实现两个碱基的桥连；caU-caU则利用金属离子与羰基和羧基O的配位实现金属离子介导的碱基配对。

表1. 本研究中涉及的DNA序列

图2. (a) 在不同浓度的Cu^II离子存在下，双链3·4的熔化曲线，当[Cu ^II] / [3·4]=3.0时具有最高的熔化温度，额外的Cu^II不会增强双链的稳定性。 (b) 不同条件下3·4的圆二色谱图。[Cu ^II] / [双链]=0、1、2、3（实线)、4和6(虚线）。其中双链溶解在含10 mM NaCl 、pH =7.0的2.0 μM HEPES缓冲液中。(c) 3倍化学计量的Cu^II条件下双链3·4的ESI质谱图，证实了三元复合物3·4·Cu^II₃的形成。(d) 含有1−5个caU−caU碱基对的的熔化温度，证明了DNA双链稳定性随caU−caU碱基对个数的增加而增加。

图3. (a) 在不同浓度的Cu^II离子存在下，双链3·4A的熔化曲线，[Cu^II] / [双链]=0、1、2、3和6。表明Cu^II离子的加入降低了caU−A配对的热稳定性。 (b) 在Cu^II不存在(虚线)或6倍化学计量的Cu^II (实线)的条件下，双链3·4(蓝色）和3·4A(红色)的熔化曲线，说明含有caU的DNA链的杂交偏好由于金属离子的配位发生改变。

图4. (a) 在Hg^II或(b)Ag^I不存在和存在条件下，1·2X(X=caU、A、G、C和T)的熔融温度，表明caU与其他碱基形成Hg^II或Ag^I介导的碱基对是可行的。 (c)在不同浓度的Cu^II离子存在下，双链DNA 3·4G的熔化曲线，[Cu^II] / [双链]=0、1、2（黑色)、3(蓝色)、4和6(紫色），说明Cu^II对含有caU−G碱基对的双链具有稳定作用。 (d) 在Cu^II不存在（虚线)和存在(实线)的情况下，3·4G(蓝色)和3·4dzG (灰色)的熔融曲线，双链稳定性的变化表明G碱基7号位的N参与了金属离子介导的碱基配对。

总结与展望

本研究发现了一种caU碱基，它不仅可以利用氢键与A碱基配对，还可以与其他碱基形成不同类型的金属介导碱基对。含有caU−A碱基对的DNA双链加入Cu^II后稳定性下降，而含有caU−X (X=caU、T、C和G)的双链则通过金属介导的碱基对的形成更加稳定，这表明caU形成的碱基配对可以响应共存的金属离子而发生改变。caU的多重结构使得它是第一个与四个典型核酸碱基配对的碱基类似物，这种独特的碱基配对行为有利于DNA杂交的金属依赖性调控，以及金属离子响应的DNA材料如DNA分子传感器、器件和DNA分子机器的发展。

文献链接

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.0c11437

作者简介

Mitsuhiko Shionoya现任东京大学教授，1978年至1986年在东京大学学习，之后以助理教授身份先后任职于广岛大学和日本分子科学研究所，并于1990年在广岛大学取得博士学位。其后在广岛大学担任讲师和副教授职位，并于1995年晋升为日本分子科学研究所教授，自1999年起担任东京大学化学系教授。先后获得Japan Society of Coordination Chemistry Award(2018), Izatt-Christensen Award (2020)等奖项。并于2014年入选日本内阁府学术会议成员。

主要研究领域为生物无机化学和超分子化学，具体包括：(1)分子机器的合成与功能化，(2)动态纳米空间的设计与构建等方面。

编辑：龚波

审核：陈朋飞