普渡&肯特州立&麥吉爾 Nat. Mater.：人工構建雙鏈DNA新突破！聚（胸腺嘧啶）-三聚氰胺雙鏈體來助力

【背景介紹】

眾所周知，雙鏈DNA是所有生命系統的中心分子，利用沃森-克里克堿基配對規則（G-C和A-T）可以預測其形成。其中，氫鍵的排列和取向的變化導致不同的DNA結構（三鏈體、G-四鏈體和i-基序）。但是，有機分子或聚合物可以通過與各個堿基形成氫鍵與DNA相互作用。最近Sleiman及其同事發現，三聚尿酸（CA）分子可介導poly（A）三元體的形成，其中三個CA分子與三個腺嘌呤結合形成六聚體花環。此外，還已經證明金屬離子可以介導DNA鏈的相互作用。Cu²⁺可以在人工寡核苷酸之間橋接，以生產具有生物活性的鐵磁性聚合物。這些替代結構為DNA提供了豐富的化學成分，并為生物過程中的材料應用和調控途徑提供了機會。然而，DNA雙鏈體結構的多樣性受到氫鍵基序的二元對的限制。

【成果簡介】

基于此，美國普渡大學的Chengde Mao團隊和肯特州立大學的Hanbin Mao團隊、以及加拿大麥吉爾大學的Hanadi F. Sleiman團隊（共同通訊作者）聯合報道了在三聚氰胺（MA）存在的情況下，聚（胸腺嘧啶，T）會自締合成反平行的右手雙鏈體，其中，三聚氰胺是呈現腺嘌呤氫鍵結合面的一個三聯的小分子。利用X射線晶體學分析發現，在復合物中，兩條聚（胸腺嘧啶）鏈纏繞在三聚氰胺的螺旋柱上，而三聚氰胺的氫鍵結合在其三個面上的兩個胸腺嘧啶殘基上。由于胸腺嘧啶-三聚氰胺-胸腺嘧啶三聯體的機械強度超過腺嘌呤-胸腺嘧啶堿基對的機械強度，因而能夠靈敏的檢測3 pM的三聚氰胺。同時，聚（胸腺嘧啶）-三聚氰胺雙鏈體可與天然DNA堿基配對正交，并且可以進行鏈置換，而無需突出端。此外，將它結合到二維（2D）網格和雜化DNA小分子聚合物中，突顯了聚胸腺嘧啶-三聚氰胺雙鏈體可以作為DNA納米技術的另一種工具。研究成果以題為“A poly(thymine)-melamine duplex for the assembly of DNA nanomaterials”發布在國際著名期刊Nat. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、MA和T之間潛在的氫鍵絡合物
（a）一個T₂-MA雜三聯體導致一個聚（T）同雙鏈體和同三聯體；

（b）一個T₃-MA雜四聯體導致一個聚（T）同雙鏈體和同三聯體。

圖二、天然PAGE與聚（T）-MA相互作用的分析
（a-c）改變MA的濃度或溫度的影響：在25^oC、0 mM MA時，在25^oC、10 mM MA時和在37^oC、10 mM MA時；

（d-e）監測由MA介導DNA發夾的DNA折疊：在25^oC、0 mM MA和在25^oC、10 mM MA。

圖三、T₆-MA復合物的晶體學研究
（a）T₆-MA雙工示意圖；

（b）T₆-MA晶體的光學圖像；

（c）T₆-MA雙鏈體的結構模型；

（d）MA介導的T-T bp的細節；

（e）聚（T）-MA雙鏈體適合晶體中彼此的主要凹槽的立體圖像；

（f-g）沿三折和四折螺旋軸線觀察T₆-MA晶體中的晶體堆積，MA為藍色。

圖四、聚（T）-MA雙鏈體的機械性能
（a）包含20個T-T不配對的T-MA-T形成的DNA構造示意圖；

（b）在發夾中含有20個A-T bp的對照DNA構建體的示意圖；

（c）有無MA（100 μM）的20 T-T和20 A-T DNA的代表性F-X曲線；

（d）20 T-T結構在100 μM MA存在下和20 A-T結構在MA不存在下的RF和?L直方圖；

（e）不使用MA或使用MA的不同構造中折疊物種的百分比。

圖五、利用聚（T）模板對MA進行機械化學檢測
（a）由RCA制備的聚（T）檢測出構建體的示意圖；

（b-c）在10 mM Tris和100 mM KCl（pH=7.4）緩沖液中，MA在10 pM和1 pM下的展開F-X曲線。

圖六、應用聚（T）-MA編程DNA納米結構的自組裝
（a-c）DNA DX組裝成一維（1D）鏈；

（d-f）DNA 3PS瓷磚組裝成六邊形2D陣列；

（g-i）DNA 4PS瓷磚組裝成四邊形2D陣列。

【小結】

綜上所述，作者研究發現MA可以介導聚（T）在水中形成反平行的聚（T）-MA雙鏈體。這種結構在堆疊的T-MA-T對解壓縮過程中具有很強的機械穩定性和可調的熱穩定性，使得其可以調節DNA納米結構的自組裝。雖然之前已觀察到聚（T）與帶正電荷的聚（三聚氰胺）相互作用，但是此組裝依賴于多價態和靜電吸引。在本文中，單個的MA分子代替聚（三聚氰胺），并克服了添加的熵壘，從而生成了聚（T）-MA雙鏈體。此外，利用小分子調節DNA特性的能力擴展了對DNA化學的認識，超越了Watson-Crick堿基配對，并提供了一種替代的廉價方法來生成基于DNA的體系結構。

文獻鏈接：A poly(thymine)-melamine duplex for the assembly of DNA nanomaterials（Nat. Mater., 2020, DOI: 10.1038/s41563-020-0728-2）

通訊作者簡介

Hanbin Mao:肯特州立大學化學系，材料與液晶所，及生物醫學所教授。長期研究單分子核酸的二級結構和功能，單分子化學及機械化學傳感和檢測。

課題組網頁：http://www.personal.kent.edu/~hmao/

本文由CQR編譯。

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