近期，天津大學(xué)化工學(xué)院仰大勇教授課題組在化學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊Angewandte Chemie（德國應(yīng)用化學(xué)）上發(fā)表關(guān)于手性碳量子點模擬拓撲異構(gòu)酶I調(diào)控超螺旋DNA拓撲結(jié)構(gòu)的研究，發(fā)現(xiàn)了手性碳量子點模擬拓撲異構(gòu)酶的作用機制，闡明印證了生命系統(tǒng)中基因轉(zhuǎn)錄的部分分子機制。天津大學(xué)化工學(xué)院李鳳副教授和博士研究生李帥為共同第一作者。合作者包括中科院生物物理所高利增研究員，天津醫(yī)科大學(xué)劉陽平教授、宋玉光副教授和談小莉博士。研究得到國家自然科學(xué)基金和科技部重點研發(fā)項目的資助支持。
DNA是一種雙螺旋結(jié)構(gòu)的生物大分子，是生命系統(tǒng)的核心遺傳物質(zhì)，引導(dǎo)生物發(fā)育和生命機能運作。DNA的高級結(jié)構(gòu)也稱DNA拓撲結(jié)構(gòu)，是指在DNA雙螺旋的基礎(chǔ)上，進一步扭曲所形成的特定空間結(jié)構(gòu)。超螺旋結(jié)構(gòu)是DNA拓撲結(jié)構(gòu)的主要形式，超螺旋密度由DNA拓撲異構(gòu)酶來調(diào)節(jié)和控制。DNA拓撲異構(gòu)酶可通過催化DNA鏈的斷裂和結(jié)合，從而控制DNA的拓撲結(jié)構(gòu)，對于DNA復(fù)制轉(zhuǎn)錄等生命活動具有重要調(diào)控作用。其中，拓撲異構(gòu)酶I可催化DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中單條DNA鏈的瞬時斷裂和連接，且不需要能量輔因子如ATP或NAD。
仰大勇教授課題組發(fā)現(xiàn)以手性半胱氨酸為碳源合成的手性碳量子可模擬拓撲異構(gòu)酶I實現(xiàn)DNA拓撲結(jié)構(gòu)的調(diào)控，且調(diào)控作用表現(xiàn)出手性依賴的差異性：D-碳量子點（D-CDs）可有效地將超螺旋質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂腥笨陂_環(huán)構(gòu)象，L-碳量子點（L-CDs）催化的轉(zhuǎn)化率則遠低于D-碳量子點。機理研究發(fā)現(xiàn)手性碳量子可以嵌插入DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的堿基對之間，并有效催化活性氧的生成，從而造成單鏈DNA磷酸骨架的氧化斷裂，DNA由超螺旋構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)殚_環(huán)構(gòu)象。分子動力學(xué)模擬進一步證明，相對于L-半胱氨酸，D-半胱氨酸與DNA之間可以形成更多的氫鍵和更低的結(jié)合自由能，D-CDs相對L-CDs與DNA具有更強的結(jié)合力，從而表現(xiàn)出更高的催化活性和調(diào)控作用。
考慮到DNA的拓撲結(jié)構(gòu)對其功能具有重要影響，作者在無細胞蛋白表達體系中，以可表達綠色熒光蛋白的質(zhì)粒DNA（p-eGFP）為模型，研究了手性碳量子點處理后的超螺旋質(zhì)粒DNA的蛋白表達功能。研究發(fā)現(xiàn)手性碳量子點處理后質(zhì)粒仍可進行正常的綠色熒光蛋白表達，且蛋白產(chǎn)量和表達速率較對照組具有一定程度的升高。這一發(fā)現(xiàn)說明質(zhì)粒DNA雙螺旋的缺口對其轉(zhuǎn)錄過程幾乎沒有影響。在轉(zhuǎn)錄過程中，DNA雙鏈在RNA聚合酶內(nèi)部解旋，合成RNA后，RNA聚合酶沿著DNA雙鏈往前移動，移出RNA聚合酶的DNA重新結(jié)合成雙鏈結(jié)構(gòu)，因此在整個轉(zhuǎn)錄過程中，DNA仍然保持完整的雙鏈結(jié)構(gòu)，而不會因為缺口的存在使其在轉(zhuǎn)錄過程中斷裂。此外，作者推測由于缺口兩側(cè)的DNA可以自由旋轉(zhuǎn)，不會在DNA轉(zhuǎn)錄過程中形成超螺旋，因此更加有利于轉(zhuǎn)錄過程的進行。
本研究揭示了碳量子的手性特征對其生物催化性能的影響，利用碳量子點對DNA構(gòu)象的調(diào)控探索了DNA構(gòu)象對其基因功能的影響和機理，對理解DNA構(gòu)象關(guān)系和轉(zhuǎn)錄等生命過程具有重要啟示，在基因編輯和蛋白質(zhì)工程領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。
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https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202002904
