普渡&肯特州立&麦吉尔 Nat. Mater.：人工构建双链DNA新突破！聚（胸腺嘧啶）-三聚氰胺双链体来助力

【背景介绍】

众所周知，双链DNA是所有生命系统的中心分子，利用沃森-克里克碱基配对规则（G-C和A-T）可以预测其形成。其中，氢键的排列和取向的变化导致不同的DNA结构（三链体、G-四链体和i-基序）。但是，有机分子或聚合物可以通过与各个碱基形成氢键与DNA相互作用。最近Sleiman及其同事发现，三聚尿酸（CA）分子可介导poly（A）三元体的形成，其中三个CA分子与三个腺嘌呤结合形成六聚体花环。此外，还已经证明金属离子可以介导DNA链的相互作用。Cu²⁺可以在人工寡核苷酸之间桥接，以生产具有生物活性的铁磁性聚合物。这些替代结构为DNA提供了丰富的化学成分，并为生物过程中的材料应用和调控途径提供了机会。然而，DNA双链体结构的多样性受到氢键基序的二元对的限制。

【成果简介】

基于此，美国普渡大学的Chengde Mao团队和肯特州立大学的Hanbin Mao团队、以及加拿大麦吉尔大学的Hanadi F. Sleiman团队（共同通讯作者）联合报道了在三聚氰胺（MA）存在的情况下，聚（胸腺嘧啶，T）会自缔合成反平行的右手双链体，其中，三聚氰胺是呈现腺嘌呤氢键结合面的一个三联的小分子。利用X射线晶体学分析发现，在复合物中，两条聚（胸腺嘧啶）链缠绕在三聚氰胺的螺旋柱上，而三聚氰胺的氢键结合在其三个面上的两个胸腺嘧啶残基上。由于胸腺嘧啶-三聚氰胺-胸腺嘧啶三联体的机械强度超过腺嘌呤-胸腺嘧啶碱基对的机械强度，因而能够灵敏的检测3 pM的三聚氰胺。同时，聚（胸腺嘧啶）-三聚氰胺双链体可与天然DNA碱基配对正交，并且可以进行链置换，而无需突出端。此外，将它结合到二维（2D）网格和杂化DNA小分子聚合物中，突显了聚胸腺嘧啶-三聚氰胺双链体可以作为DNA纳米技术的另一种工具。研究成果以题为“A poly(thymine)-melamine duplex for the assembly of DNA nanomaterials”发布在国际著名期刊Nat. Mater.上。

【图文解读】

图一、MA和T之间潜在的氢键络合物
（a）一个T₂-MA杂三联体导致一个聚（T）同双链体和同三联体；

（b）一个T₃-MA杂四联体导致一个聚（T）同双链体和同三联体。

图二、天然PAGE与聚（T）-MA相互作用的分析
（a-c）改变MA的浓度或温度的影响：在25^oC、0 mM MA时，在25^oC、10 mM MA时和在37^oC、10 mM MA时；

（d-e）监测由MA介导DNA发夹的DNA折叠：在25^oC、0 mM MA和在25^oC、10 mM MA。

图三、T₆-MA复合物的晶体学研究
（a）T₆-MA双工示意图；

（b）T₆-MA晶体的光学图像；

（c）T₆-MA双链体的结构模型；

（d）MA介导的T-T bp的细节；

（e）聚（T）-MA双链体适合晶体中彼此的主要凹槽的立体图像；

（f-g）沿三折和四折螺旋轴线观察T₆-MA晶体中的晶体堆积，MA为蓝色。

图四、聚（T）-MA双链体的机械性能
（a）包含20个T-T不配对的T-MA-T形成的DNA构造示意图；

（b）在发夹中含有20个A-T bp的对照DNA构建体的示意图；

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

（d）20 T-T结构在100 µM MA存在下和20 A-T结构在MA不存在下的RF和∆L直方图；

（e）不使用MA或使用MA的不同构造中折叠物种的百分比。

图五、利用聚（T）模板对MA进行机械化学检测
（a）由RCA制备的聚（T）检测出构建体的示意图；

（b-c）在10 mM Tris和100 mM KCl（pH=7.4）缓冲液中，MA在10 pM和1 pM下的展开F-X曲线。

图六、应用聚（T）-MA编程DNA纳米结构的自组装
（a-c）DNA DX组装成一维（1D）链；

（d-f）DNA 3PS瓷砖组装成六边形2D阵列；

（g-i）DNA 4PS瓷砖组装成四边形2D阵列。

【小结】

综上所述，作者研究发现MA可以介导聚（T）在水中形成反平行的聚（T）-MA双链体。这种结构在堆叠的T-MA-T对解压缩过程中具有很强的机械稳定性和可调的热稳定性，使得其可以调节DNA纳米结构的自组装。虽然之前已观察到聚（T）与带正电荷的聚（三聚氰胺）相互作用，但是此组装依赖于多价态和静电吸引。在本文中，单个的MA分子代替聚（三聚氰胺），并克服了添加的熵垒，从而生成了聚（T）-MA双链体。此外，利用小分子调节DNA特性的能力扩展了对DNA化学的认识，超越了Watson-Crick碱基配对，并提供了一种替代的廉价方法来生成基于DNA的体系结构。

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

通讯作者简介

Hanbin Mao:肯特州立大学化学系，材料与液晶所，及生物医学所教授。长期研究单分子核酸的二级结构和功能，单分子化学及机械化学传感和检测。

课题组网页：http://www.personal.kent.edu/~hmao/

本文由CQR编译。

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