疾病相关核酸重复序列的结构多型性及配体识别研究

作     者：常云 

作者单位：浙江师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邵勇

授予年度：2023年

学科分类：1001[医学-基础医学(可授医学、理学学位)] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 0703[理学-化学] 10[医学] 

主      题：三核苷酸重复序列 hairpin结构 G-四链体 伪金丝桃素 荧光探针 

摘      要：由重复序列构成的DNA的结构因受到多种因素的影响(如碱基、序列组成、金属离子),使其具备结构多型性的特点,从而引起生物学功能的多样性。生物体内DNA重复序列的存在与某些疾病息息相关。例如,三核苷酸重复序列的异常扩增可导致亨廷顿病、肌强直性营养不良等疾病的出现。而人类端粒的重复序列通过影响细胞的增殖介导癌症进展过程。因此,对重复序列结构的调节与识别具有重要的生物学意义。小分子配体,如:金丝桃素,伪金丝桃素等具备特异性结合DNA结构的特性,在核酸结构识别、基因表达调节、靶向药物开发等方面发挥着作用,目前已被广泛应用和研究。本论文中,我们发现伪金丝桃素(Pse)可用于三核苷酸重复序列中由极性和奇偶性决定的发夹结构的识别,以及对人类端粒G-四链体(G4)hybrid-1与hybrid-2结构的选择性区分。本研究为重复序列核酸结构的研究提供了一种可行且简单的方法。主要研究内容如下:1.超尺寸配体高选择性识别DNA:探测极性决定的DNA三核苷酸重复序列折叠结构及奇偶依赖性三核苷酸重复序列(TNRs)的异常扩增与神经退行性疾病相关。TNRs能形成特定的发夹状结构,并且受极性和奇偶性影响其发夹结构会发生改变。因此,对TNRs发夹结构的区分面临着巨大挑战。我们发现具有超尺寸匹配(BSM)几何结构的伪金丝桃素(Pse)荧光配体,可选择性地区分GTC和CTG TNRs的发夹结构。Pse主要结合在GTC重复序列发夹两端的T-T错配位点,而与极性反转的CTG发夹结构没有任何结合,这是主要由于前者的T-T错配螺旋外构象最明显,能够为容纳尺寸较大的Pse提供足够的空间,而后者的螺旋内T-T错配所提供的空间有限。并且极性依赖折叠(Po DF)的荧光响应与TNRs的长度无关。此外,Pse可用于分辨GTC奇偶性决定的发夹结构折叠(Pa DF)。除了可以特异性区分TNRs外,该BSM配体检测Po DF和Pa DF效应的能力也推广到发生在环和茎端区域的具有TNRs性质的DNAs。我们的工作提供了一种通过设计具有BSM性质的配体来阐明TNRs折叠的简便方法。2.配体诱导的二聚体选择性区分人类端粒G-四链体(G4)hybrid-1和hybrid-2结构由人类端粒TTAGGG重复序列折叠形成的G4结构,可以抑制端粒酶活性,因此可以作为潜在的抗癌靶标。依赖于环境条件,可形成平行,反平行,杂化型等G4折叠结构。在K中形成的杂化结构按折叠方式又可分为hybrid-1和hybrid-2结构,这两种杂化结构在人体细胞中普遍存在。因此,对人类端粒hybrid-1和hybrid-2结构的选择性识别具有重要意义。我们发现,伪金丝桃素(Pse)可以高选择性识别hybrid-2结构而发射荧光,而对hybrid-1结构的结合作用很弱。这是由于Pse结合在hybrid-2结构的5’末端,通过与胸腺嘧啶(T)碱基的互补氢键结合作用,使hybrid-2通过5’末端二聚,而对hybrid-1结构没有这种二聚作用。这项工作对于识别人类端粒重复序列G4结构的小分子结构设计具有重要意义。