化学修饰核酸分子电子激发态动力学特性的研究

Nucleic acid is the genomic information carrier for almost all life on Earth. It is one of the most important biological molecules. It was shown that there are varieties of chemical modification exist in nucleic acid. These modifications not only change the structure of nucleic acid, but also have significant impact on gene expression, life growth and development, life functions and so on. Thus, study the electronic excited state dynamics of the chemical modified nucleic acid is the fundamental of in-situ study of nucleic acid chemical modification process. The goal of this project is study the excited state properties of series chemical modified nucleic acid in the form of base monomers, di- or trinucleotides and oligonucleotides by femtosecond transient absorption and emission spectra. Results of this project will provide basic theory and experimental evidence for the dynamics of nucleic acid chemical modification reactions, the biological functions and the precise control of nucleic acid chemical modification in living organisms.

核酸是地球上绝大多数生命体的遗传信息载体，引导着生物生长发育和生理机能的运转，是最重要的生物大分子之一。研究表明，核酸分子中存在着多种动态化学修饰，这些修饰不仅仅改变核酸的分子结构，还在基因表达、生长发育、生理功能调控、癌症发病等生理过程中起着举足轻重的作用。对化学修饰核酸分子的电子激发态动力学的研究可以揭示其化学反应机理，是开展核酸动态化学修饰精确调控的基础。本项目充分利用国家重点实验室的飞秒激光光谱技术，拟采用宽带飞秒瞬态吸收和荧光上转换光谱手段，研究一系列化学修饰核酸碱基在单体、低聚核苷酸和长链核酸分子中的激发态动力学。项目的研究结果将有望为阐明核酸分子化学修饰的动态属性、揭示其生物学效应、实现生物体中核酸化学修饰的精确调控提供实验和理论依据。

核酸（DNA和RNA）作为地球上绝大多数生命体的遗传信息载体，引导着生物的生长发育和生命机能的运转，是最重要的生物大分子之一。研究表明核酸中存在着多种不同的化学修饰，而且核酸动态化化学修饰在基因表达/调控、胚胎发育、癌症发病等生理过程中起着举足轻重的作用。目前，核酸化学修饰与生物表观生理机能的关联是目前世界范围内的前沿研究热点之一。从分子反应动力学角度，研究化学修饰核酸分子的电子激发态动力学性质，有望揭示其在核酸化学修饰反应、核酸与修饰酶/去修饰酶相互作用等过程中的反应机理，还可以为生物学/医学中实现核酸化学修饰的精确调控提供理论依据，有重要的基础研究学术价值和应用前景。. 本项目的研究工作是采用宽带飞秒瞬态吸收光谱和宽带飞秒荧光上转换技术研究一系列化学修饰核酸碱基分子在单体、低聚核苷酸和长链核酸中的电子激发态动力学性质，探索化学修饰影响核酸分子激发态动力学和化学反应机理的基本规律。在本项目执行过程中，我们围绕申请书中的研究内容，对一系列天然的甲基化/去甲基化修饰核酸碱基和调控核酸甲基化过程药物的电子激发态动力学性质开展了研究，并总结出甲基化/去甲基化修饰对碱基激发态的影响主要分为三点：（1）增加激发态亮态的寿命；（2）引入分子内电荷转移态；（3）增加分子三重态产率。在此基础上，我们对含有上述化学修饰二聚体和双链寡聚DNA的激发态动力学也开展了研究，直接观察到双链DNA中三重态的生成。除却既定的研究内容外，还前瞻性的将研究工作拓展到潜在靶向化学修饰核酸的光动力学疗法药物分子的开发和新型红色荧光蛋白发光机理的研究两个领域。本项目的相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed.、J. Phys. Chem.、Phys. Chem. Chem. Phys.、Photochem. and Photobiol.、Chin. J. Chem. Phys.等国际期刊，还受到邀请撰写了综述性论文，分别发表与《物理学进展》和Phys. Chem. Chem. Phys.杂志，并被选为当期封面论文。. 综上所述，本人在项目执行期间既圆满的完成了项目的既定研究，又开展了与项目相关的其他拓展研究，实现了研究目标。