G-四鏈體是由鳥嘌呤富集序列折疊成的特殊核酸結(jié)構(gòu)，它的形成會影響基因復(fù)制、轉(zhuǎn)錄以及翻譯等過程。加入小分子破壞特定G-四鏈體的結(jié)構(gòu)，可簡單快捷地降低其對生物過程的干擾。然而，目前，破壞G-四鏈體結(jié)構(gòu)的小分子只是在實驗中偶然篩選到的（如，TMPyP4）。我們對小分子破壞其結(jié)構(gòu)的作用機(jī)制知之甚少，無法靶向特定G-四鏈體結(jié)構(gòu)設(shè)計專一性的去穩(wěn)定劑。為開發(fā)反向驗證G-四鏈體功能的小分子工具，揭示G-四鏈體結(jié)構(gòu)去穩(wěn)定劑作用機(jī)制、發(fā)展設(shè)計方法，顯得非常有必要。

 

 

　　圖 1 TMPyP4破壞G-四鏈體結(jié)構(gòu)機(jī)制

 

　　前期，位燈國教授團(tuán)隊在偽狂犬病毒唯一立即早期基因IE180 3' UTR區(qū)域鑒定出一段促進(jìn)IE180表達(dá)和病毒增殖的RNA G-四鏈體可形成序列，發(fā)現(xiàn)TMPyP4破壞該G-四鏈體結(jié)構(gòu)，并對病毒呈現(xiàn)了明顯的抑制效果（RNA Biology，2020）；通過單波長反常散射解析了TMPyP4與RNA G-四鏈體的兩個復(fù)合物結(jié)構(gòu)（Nucleic Acids Research, 2020）。

 

　　基于復(fù)合物結(jié)構(gòu)以及生物物理實驗，團(tuán)隊成員猜測小分子與G-四鏈體的兩個復(fù)合物結(jié)構(gòu)可能是小分子破壞G-四鏈體過程中存在的兩個狀態(tài)，便采用增強(qiáng)采樣的分子動力學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)小分子TMPyP4在解開G-四鏈體結(jié)構(gòu)之前，先與G-四鏈體結(jié)合，經(jīng)過loop 區(qū)的引導(dǎo)，小分子在G-quartet表面（四個鳥嘌呤通過氫鍵組成的平面）振動，在groove 中滑動，最后促成G-四鏈體結(jié)構(gòu)的解鏈。小分子斜插在groove 和G-quartet交界處的構(gòu)象是促成G-四鏈體的解開的一個關(guān)鍵狀態(tài)。

 

　　該工作將計算模擬與生化實驗分析相結(jié)合，揭示小分子改變G-四鏈體構(gòu)象的動態(tài)轉(zhuǎn)變機(jī)制。基于轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵狀態(tài)，有望設(shè)計出高選擇性的G-四鏈體去穩(wěn)定劑。該工作為G-四鏈體功能研究或者以G-四鏈體為靶點的抗病毒藥物分子設(shè)計提供新思路。

 

　　英國布里斯托爾大學(xué)Susanta Haldar博士和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)張雅姝博士為論文的第一作者，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)動科、動醫(yī)學(xué)院位燈國教授和倫敦大學(xué)學(xué)院藥學(xué)院Shozeb Haider教授為通訊作者。本研究得到國家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研經(jīng)費等項目資助。

 

　　【英文摘要】

 

　　The cationic porphyrin TMPyP4 is a well-established DNA G-quadruplex （G4） binding ligand that can stabilize different topologies via multiple binding modes. However, TMPyP4 can have both a stabilizing and destabilizing effect on RNA G4 structures. The structural mechanisms that mediate RNA G4 unfolding remain unknown. Here, we report on the TMPyP4-induced RNA G4 unfolding mechanism studied by well-tempered metadynamics （WT-metaD） with supporting biophysical experiments. The simulations predict a two-state mechanism of TMPyP4 interaction via a groove-bound and a top-face-bound conformation. The dynamics of TMPyP4 stacking on the top tetrad disrupts Hoogsteen H-bonds between guanine bases, resulting in the consecutive TMPyP4 intercalation from top-to-bottom G-tetrads. The results reveal a striking correlation between computational and experimental approaches and validate WT-metaD simulations as a powerful tool for studying RNA G4–ligand interactions.

 

　　原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c11248