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科学家利用发光探针在人类活细胞中发现罕见四螺旋DNA

2021-02-23 16:02:59 中国航空报

新型探针让科学家们观察到四链DNA在人类活细胞中是如何与其他分子相互作用的,从而揭示它在细胞过程中的作用。

DNA通常由两条链相互缠绕,形成经典的双螺旋状。尽管DNA也可以在试管中形成一些更奇特的形状,但是这些形状在真正的活细胞中比较罕见。

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然而最近,科学家发现被称作G-四链体(G-quadruplex)的四链DNA在人类活细胞中自然形成。在最近发表在《自然·通讯》(Nature Communications)的一项研究中,由伦敦帝国理工学院(简称“帝国理工”)科学家带领的团队制造出一种新的探针,利用它可以看到G-四链体是如何在活细胞中与其他分子相互作用的。

G-四链体在癌细胞中的浓度较高,因此被认为在疾病中起到了一定作用。这些探针解释了G-四链体是如何被某些蛋白质“解开”的,还可以帮助识别与G-四链体结合的分子,从而找到能够干扰G-四链体活性的潜在新药物靶点。

这项研究的主要作者之一,来自帝国理工化学系的本·刘易斯(Ben Lewis)说:“DNA形状的不同会给它所参与的过程——例如,读取、复制,或表达基因信息,产生巨大的影响。”

“有证据表明,G-四链体在很多对生命至关重要的过程和一系列疾病中起到了重要的作用,但证明这些还缺少了一环,那就是直接在活细胞中对G-四链体结构进行成像。”

G-四链体在活细胞中比较罕见,这意味着使用常规仪器很难对类似分子进行精确探测。本·刘易斯这样形容他们面临的问题之困难——“这就像在干草堆里找一根针,但是这根针也是用干草做的”。

为了解决这个问题,帝国理工化学系的维拉和库莫娃团队的研究人员与英国医学研究理事会伦敦医学科学院(Medical Research Council's(MRC)London Institute of Medical Sciences)的范尼团队合作,共同研究解决方法。

他们使用了一种名为DAOTA-M2的化学探针,这种探针会在G-四链体存在时发出荧光,不过研究人员并不监测荧光的亮度,而是监测荧光持续的时间。这种荧光信号不取决于探针或G-四链体的浓度,也就是说它可以用于清晰地可视化G-四链体这类罕见的分子。

同样来自帝国理工化学系的玛丽娜·库莫娃(Marina Kuimova)博士说:“利用这种更精确的探测方法,我们可以解决很多曾经阻碍开发探测这种DNA结构的可靠探针的困难。”

该团队利用这种探针研究G-四链体和两种解旋酶蛋白的相互作用,解旋酶是一种“解开”DNA结构的分子。实验表明,如果将解旋酶蛋白移除,则会有更多G-四链体存在,这表明解旋酶在解旋并分解G-四链体结构的过程起到了重要作用。

英国医学研究理事会伦敦医学科学院(MRC London Institute of Medical Sciences)和帝国理工临床科学研究院(Institute of Clinical Sciences)的让·巴蒂斯特·范尼(Jean-Baptiste Vannier)博士说:“从前我们必须通过观察间接的特征去了解这些解旋酶的作用,但现在我们可以在活细胞中直接观察了。”

除此之外,他们还研究了在活细胞中其他分子与G-四链体的相互作用。如果一个分子进入细胞并与这种DNA结构结合,它就会取代DAOTA-M2探针的位置并缩短其寿命,即荧光持续的时间。

借助这种荧光探针,研究人员们可以研究在活细胞核内的分子相互作用,也可以更好地了解其他分子,比如无荧光、在显微镜下无法观察的分子。

帝国理工化学系的拉蒙·维拉(Ramon Vilar)教授解释说:“现在很多研究人员都对于G-四链体结合分子非常感兴趣,因为这些分子有望成为针对癌症等一些疾病的药物。而我们的成像方法可以帮助进一步推进对这些潜在新药物的理解。”

这项研究的另一位主要作者、帝国理工化学系的彼得·萨默斯说:“这个项目是一个让化学、生物和物理领域的工作者一起合作的绝佳机会,正是因为这三个领域的专家们紧密合作才让这项研究顺利完成。”

现在,这三组的研究人员打算将这项研究进行下去,接下来他们想改善探针的一些性能,并探索新的生物学问题,以及进一步解释更多G-四链体在我们人类细胞中的作用。这项研究由帝国理工学院前沿研究卓越基金资助。(Hayley Dunning 雷兰昕 译)

责任编辑:实习编辑