富含鸟嘌呤和胞嘧啶DNA序列的自组装及诱导其形成高级结构

DNA sequences with repeating guanine (G) or/and cytosine (C) can interact each other forming double helix, and also can self-assemble forming G- or C-quadruplexes. The formations of G- and C-quadruplexes are not only biologically significant but also have potential applications in drug designs of anti-cancer and anti-HIV as well as in construction of nucleic acid supramolecules. However, this has been challenges on how to predict individual structural topology formed by each of over 300 thousands of various G- or C-repeating sequences in human gene, and how to comprehensively modulate the design of nucleic acid supramolecules. In this work, we will develop a mass spectrometric based method which includes other techniques to study well resolved structures of G- and C-quadruplexes, and to obtain characteristic spectrum tags of the particular structure. These tags combined with base interaction information obtained by studies of base chemical modification and base modifications in the sequences are used to build correlations of structure-sequence-tags. Our goal is to establish an effective method for directing structural prediction and supramolecule construction.

含有鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）重复的核酸序列能相互作用形成双螺旋结构，还可以自组装形成G-和C-四链体结构。G-和C四链体的形成不仅具有特殊的生物学意义，而且在抗肿瘤和抗艾滋病药物设计及核酸纳米结构构建中发挥重要作用。然而，30多万种富含G的序列存在于人类基因中所形成的结构形貌，以及如何利用核酸序列自由地构建核酸纳米材料，这一直是没有解决的问题。在这项研究中，我们将建立以质谱分析技术为主结合有其他分析手段的方法，研究已知G-和C-四链体结构特征，建立结构标签组；结合序列碱基化学修饰和碱基置换等研究方法，研究核酸碱基间相互作用；基于这些研究结果，建立结构-序列-结构标签之间的联系，为预测人类基因形成的结构及自由构建核酸纳米分子奠定基础。

人类端粒富含G的DNA序列能够形成G四链体结构，而与G碱基配对的富含C的序列能够形成C四链（i-motif）结构。研究显示，人类基因中有大约37万多种富含G的序列可能形成G四链。然而，由于G四链体结构的多样性及易变性，即使人类基因测序已经完成，仍难以基于基因序列预测DNA在生物体中的结构。因此需要发展多种技术协同工作，揭示核酸序列形成结构的规律。在这项研究中，我们主要在三个方面开展了研究：1）基于前期研究建立的质谱、CD和紫外等分析方法，对一系列短序列形成的已知结构，以及碱基和序列变化导致的结构变化进行了系统研究。基于形成的结构特征和稳定性，精确构建了几种结构可调的核酸大分子结构。这些研究为基于核酸组装的纳米材料设计和构建提供了重要依据和信息。2）基于我们前期对G四链DNA荧光特征及稳定性的研究，我们利用93del这种特殊G四链体的自发荧光的特性，结合酶的放大技术，构建了第一个用DNA自发荧光做检测的探针，并实现了生物样品中目标DNA的定量分析。由于DNA自发荧光量子产率低，信号弱。核酸本身的荧光一直没有被开发和的应用。我们这项研究首次证明了核酸自发荧光的应用潜力，为后期的进一步研究奠定了基础。3）我们发展了基于表面增强拉曼光谱（SERS）检测核酸二级结构的方法。开发了一种新的银溶胶材料（Ag IANPs)。利用这种基底，成功检测到高灵敏和高重现的核酸G四链体、i-motif、双螺旋和发卡型结构的特征峰。通过进一步建立核酸二级结构的SERS指纹图谱，SERS核酸结构分析平台将在核酸结构研究中发挥重要作用。本研究发表第一标注基金资助的 SCI 论文 11 篇，其中一区SCI论文7篇；第一标注基金资助的会议论文 6 篇，第二标注基金资助的期刊论文11篇，第二标注基金资助的会议论文6篇；相关博士毕业 2 名，硕士毕业 1 名，申请核酸结构研究相关专利 1 项，参加国内外会议 24 人次，邀请报告 5 次，会议获奖 4 人次。