G-四链体与二价金属离子相互作用的研究

G-quadruplexes, which are formed by guanine-rich oligonucleotides using Hoogsteen hydrogen bond, are the targets of anti-cancer drugs. Most of the works report the features of G-quadruplexes in the presence of monovalent cations until now. However, divalent cations are not rich in, but play critical physiological role in the body. More importantly, some divalent cations, like lead and strontium ions, can induce the G-rich sequences to form very stable G-quadruplex structures. Compared with monovalent cations, which are thoroughly investigated in G-quadruplexes, the work about divalent cations interaction with them is relatively rare. In this proposal, the properties and structures of G-quadruplexes in the presence of divalent cations will be investigated by (vibration) circular dichroism, UV absorption, and NMR et al. Furthermore, the results will be compared with data reported previously in the presence of monovalent cations, and general view of them will be summarized. The work herein will make others pay more attention to divalent cations, and provide some guidelines for the anti-cancers drug developers.

富含鸟嘌呤（G）的DNA序列利用Hoogsteen 氢键可形成G-四链体结构。当前，此结构已经成为抗癌药物作用的靶点。然而，关于G-四链体的研究主要是在一价金属离子中进行的。二价金属离子虽然在体内含量比较低，但它们也具有极其重要的生理意义。更重要的是，一些二价金属离子，如铅离子、锶离子等可以诱导富含G碱基的序列形成非常稳定的G-四链体结构。到目前为止，虽然已经有一些关于G-四链体在二价金属离子中的报道，但是还非常少。本项目拟准备选择一系列的G-四链体结构，系统地研究G-四链体与二价金属离子的相互作用。利用（振动）圆二色光谱、紫外吸收光谱、核磁共振等，研究G-四链体在二价金属离子存在的条件下的性质和结构，并阐明其相互作用的特点，并与文献中一价金属离子的结果相比较，得出规律性的认识。本项目的研究目的能引起研究者对二价金属离子的重视，并为设计新型抗肿瘤药物的研究者提供重要的参考。

G-四链体（G4）作为一个“明星分子”得到了各领域越来越多科学家的关注。本项目围绕G4结构与性质以及G4 DNA酶展开工作，研究结果加深了人们对G4性质的认识，并展示了其迷人的应用前景。. 生命体是一个包含各种金属离子、生物大分子、DNA、RNA等在内的一个拥挤环境。前人研究得出了分子拥挤在一价金属离子存在时会增强G4稳定性的结论，而我们研究中发现在二价金属离子条件下，分子拥挤对反平行和混合构象的G4是有去稳定作用的。研究过程中，发现不同构象G4 UV紫外融解曲线有所不同，并基于此建立一种快速鉴定平行与非平行结构G4的方法；后续研究根据DNA和RNA序列都可以形成G4，设计了DNA-RNA嵌合G4，系统地研究了RNA中羟基对G4的影响，首次观察到了羟基可以诱导顺式糖苷键的形成和去稳定作用；进而对G4 loop的排列顺序进行了研究，发现 G4结构和性质与其相关，而不是前人所认为的无关。. 在G4应用研究方面，虽然G4/血红素DNA酶得到了广泛地研究，但是其活性相比于蛋白酶仍然比较低。于是，我们首先构建了一系列的DNA酶，发现A碱基的重复序列可以增强其活性，这种碱基增强效应具有可设计性；基于此，我们构建了一种嗜热G4 DNA酶，其在高温下具有很高的活性，并能高效地去除工业废水中的有机染料，可与当前工业上的使用方法相媲美；我们进一步通过设计100多种DNA酶，对碱基激活DNA酶的机制进行了研究，提出了临近激活的机制。. 这一系列的研究，对深入理解G4结构与性质、DNA酶的应用具有推动作用，比如设计高灵敏的生物传感器、环境治理等。