DNA通过形成复杂的三维结构来模拟蛋白质的功能

1953年沃森及克里克提出DNA双螺旋结构模型，完美解释DNA遗传物质如何保存遗传消息并准确复制到下一代。DNA功能单纯，不同蛋白质承担不同功能，从运送氧气、产生能量、消化食物、攻击病菌到传递消息等，结构复杂，但此次发现颠覆人们的DNA结构的认知，原来也有形成复杂结构并发挥不同功能的潜力。

图源：网络

最近，《Nature》杂志一项新的研究表明，DNA可以通过形成复杂的三维结构来模拟蛋白质的功能。该研究由威尔康奈尔医学院和美国国立卫生研究院下属的国家心肺血液研究所的研究人员发起。

这项研究利用高清成像技术揭示了合成DNA分子的独特和多方面的结构。这种分子被设计用来模拟一种被称为绿色荧光蛋白(GFP)的蛋白质的行为。绿色荧光蛋白最初是从水母中提取出来的，现在已经成为实验室的重要工具，作为细胞内的发光标记或信标。

这一发现推进了DNA如何折叠成复杂形状的科学，并将帮助研究人员构建用于各种实验室和临床应用的DNA分子。例如，模仿GFP的全DNA荧光标签通常是生物学研究和诊断测试试剂盒中标记目标DNA片段的理想选择，而且制造成本相对较低。

RNA检测在各种诊断和分析应用中都很重要。RNA可以使用分子信标快速检测，分子信标在与靶RNA杂交时发出荧光，但需要具有复杂荧光染料的寡核苷酸和猝灭剂偶联物。在这里，描述了一种使用简单的未修饰的DNA寡核苷酸快速荧光检测靶RNA的简化方法。为了检测RNA，科学家开发了Lettuce，这是一种荧光DNA适体，可以结合并激活DFHBI-1T的荧光，DFHBI-1T是一种非荧光分子，类似于绿色荧光蛋白中的发色团。

基于与DFHBI琼脂糖的结合，从随机DNA文库中选择Lettuce。我们进一步证明，Lettuce可以分裂成两种独立的寡核苷酸组分，这两种组分本身是无荧光的，但当靶RNA诱导其接近时会变为荧光的。作者设计了几对分裂的Lettuce片段，其中含有额外的15-20个核苷酸。

“这些发现确实改变了我们对DNA的理解，”研究报告的合著者Samie Jaffrey博士说。

在自然界中，DNA大多以双链、“扭曲的阶梯”或“螺旋”形式存在，并作为相对稳定的遗传信息存储。细胞中所有其他复杂的生物过程都是由其他类型的分子完成的，尤其是蛋白质。

去年，Jaffrey博士和他的同事报告说，他们发现了一种这样的分子:一种单链DNA，它的折叠方式可以模仿绿色荧光蛋白的活性。这种DNA分子的工作原理是，与另一个小有机分子结合，形成一种潜在的荧光“荧光团”，与绿色荧光蛋白的核心分子类似，并以一种激活其荧光能力的方式挤压它。研究人员展示了Lettuce-荧光团组合作为快速检测COVID-19病因SARS-CoV-2的荧光标记。

Jaffrey博士和他的团队通过制造许多单链DNA，并筛选那些具有所需荧光团激活能力的DNA，发现了Lettuce。但他们不知道Lettuce是用什么结构获得这种能力的。为了确定这种结构，他们把这项新研究交给了他们的长期合作伙伴，NHLBI高级研究员Adrian R. Ferré-D’Amaré博士。

这项研究是由Ferré-D’Amaré博士团队的研究员Luiz Passalacqua博士领导的，他们使用了包括低温电子显微镜在内的先进结构成像技术，以原子尺度分辨率分析Lettuce的结构。他们发现它折叠成一种形状，在它的中心有一个DNA的四向连接，一种以前从未见过的类型，以一种激活荧光团的方式包裹着它。

他们还观察到，Lettuce的折叠是由核碱基之间的键结合在一起的。“我们发现的不是DNA试图像蛋白质一样，这是一种DNA，它以自己独特的方式发挥着绿色荧光蛋白的作用。”研究人员说，这一发现将加速荧光DNA分子的发展，比如用于快速诊断测试的Lettuce，以及许多其他需要基于DNA的荧光标签的科学应用。“这样的研究对于创造新的基于DNA的工具至关重要，”Jaffrey博士说。

参考文献:

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.