G-四链体及其配体在植物病毒中的功能研究

G-四链体是一种特殊的非标准核酸二级结构,在多种生命活动过程中发挥重要的调控作用。近年来研究发现,G-四链体结构在农业植物病毒基因组中广泛存在,并参与病毒的复制等过程,是潜在的抗病毒药物靶标。本文重点综述G-四链体结构在植物RNA和DNA病毒基因组中的存在、保守性和潜在的生物学功能,并对G-四链体配体抗植物病毒的相关研究进行论述,以期为农业植物病毒病的有效防治提供思路和理论依据。

不同G-四链体之间的再组装

主要通过液体核磁共振等技术发现,凝血酶适配体的突变序列TBA-M、人源端粒序列htel3在Na^(+)溶液中可各自折叠成G-四链体结构,而这两个预先已折叠完好的G-四链体之间还能够自发地通过DNA链置换作用再进一步重新组装成异分子间G-四链体复合物TBA-M/htel3。该复合物中,TBA-M与htel3之间相互结合的DNA链当量比为1∶1,并且TBA-M仅以其3′末端3个连续鸟嘌呤残基(G_(14)G_(15)G_(16))参与TBA-M/htel3复合物中G-四链体核心区的Hoogsteen氢键配对。首次通过实验证明已经预先形成结构的两个G-四链体之间还能够进一步发生基于Hoogsteen氢键配对的DNA链置换现象,并且对其相互作用的过程与分子机制进行探讨。拓展对不同核酸结构之间相互作用方式与识别机制的更深层认知。

G-四链体在糖酵解相关基因中的分布及调控

目的探讨G-四链体(G4)在糖酵解相关基因中的分布及调控。方法选取200个糖酵解相关基因转录起始位点上游1500 bp至5′非翻译区的序列进行生物信息学分析,初步确定含有潜在G-四链体形成序列(PQS)的相关基因;圆二色谱法和非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳法检测G4形成;外切酶Ⅰ(ExoⅠ)水解实验在0,0.5,2,8,16和32 min检测G4稳定性;构建将相关基因的特定片段插入到荧光素酶表达序列之前的报告基因质粒,双荧光素酶报告基因系统检测荧光素酶的表达水平进而判断G4对启动子活性的影响;实时荧光定量PCR检测荧光素酶的mRNA水平进一步验证G4的转录调控作用。结果①生物信息学分析表明,200个糖酵解相关基因中有12个基因含有PQS,进一步结合PQS长度及结构分析,醛缩酶A(ALDOA)和磷酸变位酶2(PGAM2)的PQS理论上可形成稳定G4。②ALDOA和PGAM2均在260 nm处有最大正吸收峰,在240 nm处有最大负吸收峰,符合平行结构G4的特征构象,同时二者的PQS可形成G4。③ExoⅠ消化后,ALDOA和PGAM2无明显水解,证明G4具有稳定性,同时二者的PQS突变后均可逐渐被水解。④ALDOA突变后荧光素酶的表达水平和mRNA水平显著升高(P<0.01);PGAM2突变后荧光素酶的表达水平和mRNA水平显著降低(P<0.01)。结论糖酵解相关基因的序列中存在大量PQS,其中ALDOA和PGAM2的PQS可形成稳定G4,并具有转录调控作用。

基于G-四链体/硫黄素T无标记荧光适配体传感器快速检测氟苯尼考

硫黄素T(ThT)通过非共价相互作用与G-四链体结合,形成G-四链体/ThT复合物,呈现出较强荧光强度,而游离ThT荧光十分微弱。当存在氟苯尼考(FF)时,具有G-四链体结构的适配体(Apt)对靶标的高亲和力,使得Apt/FF复合物形成并释放ThT,荧光强度降低。基于这一特点,本研究设计一种灵敏快速的现场检测体系,用于检测氟苯尼考,即基于G-四链体/硫黄素T的无标记荧光适配体传感器。该适配体传感器的检测范围为0.0128~200 ng/mL,实际检出限0.0128 ng/mL,检测总时长10 min。同时,对实际加标样品(牛奶和鸡蛋)进行回收率计算,加标回收率在91.2%~117.1%之间。所建立的无标记荧光适配体传感器具有高特异性、成本低、耗时短等优点,可用于实际样品的现场检测。

基于G-四链体电化学发光生物传感器灵敏检测端粒酶活性

端粒酶活性的分析检测对于癌症诊断、预后治疗等具有重要意义。该研究利用G-四链体(G4) DNA的金属配合物靶向发光探针[Ir(ppy)_(2)(pip)]PF_(6),构建了灵敏检测癌细胞端粒酶活性的电化学发光(ECL)生物传感器。首先将引物DNA组装在电极表面,然后与癌细胞提取的端粒酶共同孵育,具有活性的端粒酶在引物末端生成端粒重复序列从而形成G4结构,随后[Ir(ppy)_(2)(pip)]PF_(6)通过与G4靶向作用结合到延长的序列中。结果表明[Ir(ppy)_(2)(pip)]PF_(6)的ECL信号与端粒酶活性呈现正相关,传感器的电化学发光强度与癌细胞浓度在10-5×10^(5)cell/mL呈现良好的线性关系,检出限(LOD)为3 cell/mL。实验还表明了传感器具有良好的稳定性、适用性、抗干扰性和重现性,最后将该传感器用于测定真实人类血清和尿液样本中的端粒酶活性,得到了满意的结果。

G-四链体与As-PCR联用可视化检测沙门氏菌

沙门氏菌是食源性病原菌,常在食品媒介中传播,因此快速检测是控制该病原菌的关键。本研究用沙门氏菌基因组DNA作模板,通过对不对称PCR(As-PCR)扩增条件的优化,证明当非限制性引物HF终浓度0.4μmol/L,与限制性引物GR终浓度比10∶1、退火温度58℃,扩增40个循环时可获得最大浓度的单链DNA(ssDNA)产物。带有G-四链体序列的ssDNA与40μmol/L氯化血红素作用60 min时,G-四链体显示出最高的过氧化物酶活性。在此基础上,将As-PCR和G-四链体联用,实现了可视化检测沙门氏菌invH基因,在2 pg/μL~258 ng/μL的质量浓度区间,质量浓度对数与吸光值A421nm呈线性关系(y=0.0691x+0.3085,R2=0.9729)。对污染的牛奶样品检测,检出灵敏度高,为35 CFU/mL,且操作便捷,为病原微生物检测提供了新技术支撑。

靶向G-四链体的抗番茄丛矮病毒卟啉类衍生物的筛选

植物病毒病给蔬菜生产带来很大影响,目前蔬菜病毒防控主要采用非药剂措施,广谱抗病毒剂效果有限,需要基于新的药物靶点开发新的病毒抑制剂。G-四链体(G4s)是一种特殊的核酸高级结构,其在病毒基因组中的形成或解链可调节基因的复制、转录和翻译等过程,进而影响病毒增殖。一些可调节G-四链体结构稳定性的小分子呈现出抗病毒活性,使得G-四链体有望成为新的抗病毒药物的靶标。番茄丛矮病毒(tomato bushy stunt virus,TBSV)是一种分布广泛的植物病毒,有关其基因组的复制、转录和翻译等分子机制已研究得较为成熟,是一种研究病毒与寄主互作的模式病毒。揭示TBSV中G-四链体的结构及功能,有望为植物病毒基因中G-四链体的研究奠定基础。本研究通过生物信息学分析,在TBSV基因中鉴定出两条保守的、潜在的G-四链体可形成序列(putative G-quadruplex sequences,PQS)——TBSV-PQS2和TBSV-PQS4;通过紫外、荧光光谱和圆二色光谱(CD光谱)方法筛选出与TBSV-PQS2和TBSV-PQS4互作的G4配体;通过烟草体内侵染性克隆试验发现,G-四链体配体N-甲基中卟啉IX(NMM)可抑制TBSV病毒的增殖。本研究结果表明,以植物病毒中G-四链体为靶点开发抗植物病毒的生态友好型农药,有望成为控制植物病毒危害的新策略。

双金属协同调控G-三链体/血红素比色传感探针的构筑及应用

该文首次将一条富含G碱基的DNA序列(5’-CTGGGAGGGAGGGA-3’)与血红素结合,形成的G-三链体/血红素复合物具有类过氧化氢酶活性,能够催化H2O2的氧化反应,使反应底物2,2′-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(ABTS)由无色变为绿色。通过对金属离子的筛选,发现K+和Sr2+同时存在能稳定G-三链体结构,基于此构筑了双金属协同调控的G-三链体/血红素比色传感探针,并将其用于H2O2的定量分析。在最佳实验条件下,溶液的吸光度与H2O2浓度在0.5~4.5 mmol/L范围内呈现良好的线性关系,检出限为0.07 mmol/L。将该方法用于牛奶中H2O2的检测,加标回收率为92.5%~103%,相对标准偏差为1.2%~5.4%。该探针具有碱基序列短、成本低廉、适用性强等诸多优势,为G-三链体功能化核酸探针的研究提供了新的思路。

G-四链体荧光生物传感器铅快速分析技术研究进展

铅是原子量最大的非放射性剧毒重金属,在环境中很难被其他物质降解消除,能长时间保持毒性,而产生持续性的健康危害。为了防范重金属铅污染,避免污染事件的屡次发生,做好环境中的重金属铅含量监测意义重大。核酸适配体构建的生物传感器作一种优良重金属铅离子检测方法成为研究的热点。本文介绍了G-四链体型核酸适配体概念及其与铅离子识别机制,综述了近10年来基于G-四链体荧光生物传感器分析技术在铅离子检测中的研究、创新和存在问题,并展望了其发展方向。

22-nt端粒RNA片段所形成反向平行G-四链体的构型影响要素分析

不同构象的G-四链体通常展现出与蛋白质结合能力不同,进而发挥出不同的生理功能,分析G-四链体的构型影响要素,对探究其生理功能有重要意义。不同于DNA,RNA序列在以往的研究中均呈现平行G-四链体结构,前期研究中我们发现并报道了目前唯一能形成反向平行G-四链体的RNA序列,22-nt端粒RNA片段(ORN-N,A_(1)G_(2)G_(3)G_(4)U_(5)U_(6)A_(7)G_(8)G_(9)G_(10)U_(11)U_(12)A_(13)G_(14)G_(15)G_(16)U_(17)U_(18)A_(19)G_(20)G_(21)G_(22))。分析ORN-N的构型影响因素将极大拓展对RNA特性的认识。因此,本研究旨在系统性的探索能够影响ORN-N构型的因素。使用圆二色谱和熔融曲线监测糖环2′-羟基对ORN-N构型和稳定性的影响,发现ORN-N中不同核苷糖环2′-羟基对于反向平行G-四链体的作用不同。U_(6)、A_(7)、G_(16)的糖环2′-羟基对ORN-N的拓扑构象-维持至关重要,G_(3)、A_(13)、A_(19)的糖环2′-羟基具有稳定其构象的作用,而U_(17)的糖环2′-羟基降低了ORN-N的稳定性,此与以往研究中糖环2′-羟基不利于RNA序列形成反向平行G-四链体构型不同。将ORN-N环中的核苷U进行5-甲基化修饰,通过圆二色谱和熔融曲线监测其构象和稳定性,发现环中部分U碱基5-甲基化能稳定ORN-N的构象。使用5%~40%PEG模拟细胞内分子拥挤环境,通过圆二色谱监测其构象,结果与以往研究不同,分子拥挤环境并不能稳定反向平行RNA G-四链体,相反ORN-N的构象发生了翻转。综上,在ORN-N中糖环2′-羟基、环序列甲基化以及分子拥挤环境对反向平行RNA G-四链体的构型具有极其重要的影响。

基于改进G-四链体DNA酶的电化学适配体传感器构建及卡那霉素高灵敏检测

将阳离子多肽(peptide)与G-四链体DNA酶(G4 DNAzyme)共价组装得到高活性的G4 DNAzyme-peptide复合物,进一步构建新型电化学适配体传感器,研究该复合物对电化学适配体传感器响应性能的影响,并将该传感器用于牛奶中卡那霉素(KANA)的检测分析。结果表明:G4 DNAzyme-peptide可以显著放大电化学信号,明显提高传感器检测灵敏度;在捕获探针序列最优浓度(2.0μmol/L)下,电流信号强度变化与目标物浓度(0.06 pmol/L~20 nmol/L)对数值呈良好的线性关系,检测限为0.02 pmol/L,优于其他KANA检测方法;该传感器对KANA具有良好的选择性,在实际牛奶样品检测中,KANA的加标回收率为97.1%~105.5%,相对标准差为3.60%~5.74%,且检测结果与ELISA法一致,说明该传感器能够实现牛奶中KANA的高灵敏检测。

核酸G-四链体的识别、复合物结构与细胞内探测的研究进展

富含鸟嘌呤的DNA或RNA序列可以折叠成非典型G-四链体二级结构.G-四链体结构丰富多样,在生物体内动态存在,参与了转录、复制、基因组稳定性和表观遗传调控等关键的基因组功能,与癌症生物学密切相关.G-四链体的结构与功能机制研究促进了以G-四链体为靶点的肿瘤治疗干预.本文综合评述了核酸G-四链体的特异性识别、细胞内探测及生物学功能的调控,总结了识别靶向G-四链体的小分子及复合物结构的研究进展,讨论了以G-四链体为靶点的靶向干预及疾病治疗的可能性,最后展望了G-四链体未来研究所面临的挑战与机遇.

PCR与G-四链体联用可视化鉴别人参与西洋参

人参和西洋参作为我国常用名贵中药,其价值很高,由于它们为人参属近缘物种,因此二者在形态和化学成分方面较为相似。然而人参和西洋参的药性和药效有较大区别,二者在临床上不可混用,所以对二者进行鉴定就尤为重要。该研究基于人参与西洋参基因组DNA上的特异性snp位点,设计了5′端含有G-四链体互补序列的上下游引物,通过PCR扩增出大量含G-四链体的双链DNA,与氯高铁血红素(Hemin)结合形成具有过氧化物酶活性的DNA酶(DNAzyme),并在H_(2)O_(2)存在的情况下催化ABTS发生颜色变化。通过对PCR体系以及显色体系的优化,达到快速、简便地鉴别人参与西洋参,灵敏度可达到0.1 ng/μL。研究建立了针对人参和西洋参的PCR与G-四链体联用的可视化鉴别方法,为人参与西洋参的鉴别提供了新的途径。

G-四链体功能性核酸在微RNA生物传感器中的应用

微RNA(microRNA,miRNA)是一类内源性非编码小RNA,在细胞增殖、分化及凋亡等生物过程中发挥重要调节作用,其异常表达与多种疾病的发生发展密切相关。因此,对特定miRNA进行精准检测,有助于疾病的早期诊断与及时治疗。核酸生物传感器凭借化学性质稳定、设计简单、可编程性及易修饰等优点受到广泛关注。其中,G-四链体功能性核酸是一种富含鸟嘌呤的DNA通过Hoogsteen型氢键形成的特殊空间结构,因其可通过范德华力及疏水作用等相互作用力与卟啉、染料和氯化血红素(hemin)等小分子结合并增强其理化性质,而广泛应用于miRNA检测领域。目前,G-四链体常与核酸扩增或纳米信号放大技术联用以提高灵敏度,既可用于目标识别,又可辅助信号输出。本文首先介绍了G-四链体的结构及其荧光增强及过氧化物酶活性提升的机制;其次,依据上述特性分别论述了G-四链体与荧光配体结合构建miRNA荧光生物传感器的研究进展,以及基于G-四链体/Hemin的miRNA生物传感平台,在比色、电化学及化学发光检测中的应用进展;最后讨论G-四链体在miRNA检测领域所面临的挑战,并展望未来发展趋势,以期促进高灵敏度及特异性的核酸生物传感器的构建。

基于末端脱氧核苷酸转移酶协同G-四链体核酶的恩诺沙星检测方法

基于末端脱氧核苷酸转移酶(TdT)协同G-四链体核酶设计信号放大策略,建立了一种恩诺沙星电化学检测方法。目标物恩诺沙星与特异性核酸适体的结合触发TdT在电极表面的扩增反应,产生G-四链体核酶纳米线结构,进而发挥辣根过氧化物酶活性催化信号放大,实现恩诺沙星的高灵敏和高特异性检测。该方法对恩诺沙星的线性检测范围为0.5~50μg/L,检测限低至0.043μg/L。此外,该无标记电化学生物传感器简单快速,成本低,并成功应用于对实际食品样本的分析检测,显示出较好的应用潜能。

基于G-四链体构象转换免标记荧光法用于Ag^(+)的检测

目的:基于银离子(Ag^(+))介导的G-四链体构象转换策略建立免标记的荧光传感法用于Ag^(+)定量分析。方法:首先,荧光染料吖啶橙嵌入G-四链体后可使其荧光显著增强。其次,当体系加入Ag^(+)后,Ag^(+)可螯合G-四链体中的鸟嘌呤进而抑制G-四链体空间结构形成使得荧光降低。最后,根据荧光强度的变化进行Ag^(+)的定量检测。样品的荧光光谱分析以480 nm为激发波长,检测500~700 nm的荧光发射光谱,并记录最大发射波长525 nm处的荧光强度。结果:本研究设计的荧光传感器对Ag^(+)的检测呈现出较宽的检测线性范围(0.1~2.0μmol/L)和较低的检测限(43.5 nmol/L)。此外,该方法在复杂的实际环境样品回收率分析中取得了满意的结果。结论:本研究构建的Ag^(+)检测方法操作简单,无需任何荧光标记,成本低,分析速度快,选择性好,在环境分析中具有广泛的实际应用前景。

一种基于DNA G-四链体结构的汞离子快速检测方法

随着工业的发展汞污染日渐严重,建立一种快速、准确的Hg^(2+)检测手段变得更加重要。某些富鸟嘌呤(G)的核酸序列能够通过氢键和自身链或者其他序列链上的鸟嘌呤(G)连接折叠成为四链结构,称为G-四链体。Hg^(2+)可以和G-四链体中的胸腺嘧啶T相互作用形成T-Hg^(2+)-T结构,G-四链体也会形成DNA双链结构,这种变化可以影响菁染料的聚集状态,进而引起溶液紫外-可见吸收光谱的变化。基于DNA G-四链体转化菁染料聚集状态开发了一种Hg^(2+)检测手段。

双氢杨梅素与G-四链体的相互作用研究

双氢杨梅素(DMY)是从药用植物——广西藤茶中提取出来的一种含量极高的二氢黄酮醇类化合物,具有抗肿瘤、抗氧化、调节血糖等作用,但其抗肿瘤机理尚不清楚.本文利用Tm值和CD光谱对G-四链体进行了表征,利用电子吸收光谱和竞争性结合实验研究了DMY与G-四链体的相互作用.结果显示DMY是通过外部堆积结合到G-四链体,并通过稳定G-四链体结构而抑制端粒酶活性,起到抗肿瘤的作用.

连接环、末端碱基及一价阳离子对G-四链体结构的影响

研究了G-四链体中的连接环(Loop)、末端碱基和一价阳离子对其结构的影响,发现在K+溶液中Loop短的序列易形成平行结构,无末端碱基时容易形成多聚体,而反平行或混合平行/反平行的G-四链体则难以形成多聚体;一价阳离子K+,NH+4和Na+促进形成平行结构及多聚体的能力依次减弱.在平行G-四链体的3'或5'端增加非G碱基,或改变阳离子使其形成非平行结构,均可抑制多聚体的形成.Loop长度影响G-四链体的热稳定性,Loop短的序列可形成很稳定的分子内结构;无末端碱基的G-四链体多聚体的稳定性低于单个G-四链体,且多聚体随着温度升高而变小.结果表明,在K+溶液中,无末端碱基的平行G-四链体序列首先形成分子内结构,然后通过π-π堆积形成多聚体;末端碱基及反平行或混合平行/反平行G-四链体中的Loop可阻碍末端堆积作用,抑制多聚体的形成.本研究为G-四链体的结构与功能研究提供了有用信息.

吲哚并喹啉衍生物与G-四链体相互作用的分子模拟研究

G-四链体是富含鸟嘌呤碱基的DNA序列通过氢键相互作用形成的四链螺旋结构.通过小分子化合物诱导与稳定端粒G-四链体从而抑制端粒酶活性是一种新的抗癌策略.为了研究一系列吲哚并喹啉衍生物与端粒G-四链体的相互作用,探究其相互作用模式,从而为实现基于G-四链体结构的药物合理设计提供依据,使用分子对接的方法构建了吲哚并喹啉衍生物与G-四链体复合物结构,在此基础上进行分子动力学模拟,并使用线性相互作用能(LIE)方法计算了化合物与G-四链体的结合自由能.结果表明:化合物与G-四链体的主要相互作用方式由氢键、静电与π-π堆积作用构成,侧链末端基团类型和侧链的长短是影响相互作用强弱的重要因素.通过LIE方法计算的结合自由能与实验结果基本吻合,相关度达到r2=0.79.并且,基于预测的结合模式,总结了拥有更高活性的新型吲哚并喹啉衍生物应具有的几个结构特征.