DNA通過形成復雜的三維結構來模擬蛋白質的功能

1953年沃森及克里克提出DNA雙螺旋結構模型，完美解釋DNA遺傳物質如何保存遺傳消息并準確復制到下一代。DNA功能單純，不同蛋白質承擔不同功能，從運送氧氣、產生能量、消化食物、攻擊病菌到傳遞消息等，結構復雜，但此次發現顛覆人們的DNA結構的認知，原來也有形成復雜結構并發揮不同功能的潛力。

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最近，《Nature》雜志一項新的研究表明，DNA可以通過形成復雜的三維結構來模擬蛋白質的功能。該研究由威爾康奈爾醫學院和美國國立衛生研究院下屬的國家心肺血液研究所的研究人員發起。

這項研究利用高清成像技術揭示了合成DNA分子的獨特和多方面的結構。這種分子被設計用來模擬一種被稱為綠色熒光蛋白(GFP)的蛋白質的行為。綠色熒光蛋白最初是從水母中提取出來的，現在已經成為實驗室的重要工具，作為細胞內的發光標記或信標。

這一發現推進了DNA如何折疊成復雜形狀的科學，并將幫助研究人員構建用于各種實驗室和臨床應用的DNA分子。例如，模仿GFP的全DNA熒光標簽通常是生物學研究和診斷測試試劑盒中標記目標DNA片段的理想選擇，而且制造成本相對較低。

RNA檢測在各種診斷和分析應用中都很重要。RNA可以使用分子信標快速檢測，分子信標在與靶RNA雜交時發出熒光，但需要具有復雜熒光染料的寡核苷酸和猝滅劑偶聯物。在這里，描述了一種使用簡單的未修飾的DNA寡核苷酸快速熒光檢測靶RNA的簡化方法。為了檢測RNA，科學家開發了Lettuce，這是一種熒光DNA適體，可以結合并激活DFHBI-1T的熒光，DFHBI-1T是一種非熒光分子，類似于綠色熒光蛋白中的發色團。

基于與DFHBI瓊脂糖的結合，從隨機DNA文庫中選擇Lettuce。我們進一步證明，Lettuce可以分裂成兩種獨立的寡核苷酸組分，這兩種組分本身是無熒光的，但當靶RNA誘導其接近時會變為熒光的。作者設計了幾對分裂的Lettuce片段，其中含有額外的15-20個核苷酸。

“這些發現確實改變了我們對DNA的理解，”研究報告的合著者Samie Jaffrey博士說。

在自然界中，DNA大多以雙鏈、“扭曲的階梯”或“螺旋”形式存在，并作為相對穩定的遺傳信息存儲。細胞中所有其他復雜的生物過程都是由其他類型的分子完成的，尤其是蛋白質。

去年，Jaffrey博士和他的同事報告說，他們發現了一種這樣的分子:一種單鏈DNA，它的折疊方式可以模仿綠色熒光蛋白的活性。這種DNA分子的工作原理是，與另一個小有機分子結合，形成一種潛在的熒光“熒光團”，與綠色熒光蛋白的核心分子類似，并以一種激活其熒光能力的方式擠壓它。研究人員展示了Lettuce-熒光團組合作為快速檢測COVID-19病因SARS-CoV-2的熒光標記。

Jaffrey博士和他的團隊通過制造許多單鏈DNA，并篩選那些具有所需熒光團激活能力的DNA，發現了Lettuce。但他們不知道Lettuce是用什么結構獲得這種能力的。為了確定這種結構，他們把這項新研究交給了他們的長期合作伙伴，NHLBI高級研究員Adrian R. Ferré-D’Amaré博士。

這項研究是由Ferré-D’Amaré博士團隊的研究員Luiz Passalacqua博士領導的，他們使用了包括低溫電子顯微鏡在內的先進結構成像技術，以原子尺度分辨率分析Lettuce的結構。他們發現它折疊成一種形狀，在它的中心有一個DNA的四向連接，一種以前從未見過的類型，以一種激活熒光團的方式包裹著它。

他們還觀察到，Lettuce的折疊是由核堿基之間的鍵結合在一起的?！拔覀儼l現的不是DNA試圖像蛋白質一樣，這是一種DNA，它以自己獨特的方式發揮著綠色熒光蛋白的作用?！毖芯咳藛T說，這一發現將加速熒光DNA分子的發展，比如用于快速診斷測試的Lettuce，以及許多其他需要基于DNA的熒光標簽的科學應用?！斑@樣的研究對于創造新的基于DNA的工具至關重要，”Jaffrey博士說。

參考文獻:

Intricate 3D architecture of a DNA mimic of GFP” by Luiz F. M. Passalacqua, Michael T. Banco, Jared D. Moon, Xing Li, Samie R. Jaffrey and Adrian R. Ferré-D’Amaré, 21 June 2023, Nature.

Detection of SARS-CoV-2 RNA Using a DNA Aptamer Mimic of Green Fluorescent Protein” by Bria S. VarnBuhler, Jared Moon, Sourav Kumar Dey, Jiahui Wu and Samie R. Jaffrey, 26 March 2023, ACS Chemical Biology.