研究破译了用于疾病诊断的DNA适配体的复杂3D结构

在《美国国家科学院院刊》发表的一项研究中，一个研究小组解决了靶向蛋白酪氨酸激酶7（PTK7）的sgc8c DNA适配体的第一个高分辨率结构，有效地设计了两种用于疾病治疗的最佳sgc8c变体，并揭示了DNA分子复杂结构和功能组织的新原理

适配体是功能性核酸，在临床诊断和靶向药物递送中具有广泛的应用。适配体对其蛋白质靶标的高结合亲和力和特异性取决于其复杂的三维（3D）结构

适配体与其蛋白质伴侣复合物的3D结构有助于理解和优化其功能。然而，由于适配体和/或蛋白质的构象异质性，很难获得复杂的结构，而被认为缺乏RNA样三级相互作用的DNA分子的3D结构在很大程度上仍未得到探索

Sgc8c是一种41nt的DNA适配体，通过细胞SELEX筛选，靶向白血病细胞。sgc8c的分子靶点是PTK7，这是一种跨膜受体假激酶，在各种类型的癌症中过表达

sgc8c由于其对蛋白质和细胞靶点的高结合亲和力和特异性，已成为癌症治疗中最广泛使用的DNA适体之一。然而，sgc8c功能背后的结构基础仍然难以捉摸，需要对sgc8c进行结构引导的功能理解和优化

在这项研究中，由中国科学院杭州医学研究所（HIM）的谭卫红教授、韩达教授和郭培副教授领导的研究人员首先使用溶液核磁共振（NMR）探测了sgc8c中的10个Watson–Crick碱基对，并确定了包括P1、P2和P3在内的三个配对区域。

然后，他们通过使用NMR化学位移扰动（CSPs）和定点突变分析确认了P2中的核苷酸构成了关键结合元件

在证实与PTK7的结合不会干扰sgc8c的原始3D折叠后，研究人员确定了sgc8c溶液的NMR结构，并阐明了一个由长程氢键和广泛的碱基堆叠相互作用稳定的复杂的三向连接折叠

在RNA中常见但在DNA分子中很少发现的几种三级相互作用对于维持sgc8c的结构和功能至关重要。最有趣的是，sgc8c可以从不同的区域招募十多个核苷酸，并将其组装到其关键的结构和功能框架中。

在完善的结构和职能关系的指导下，研究人员有效地设计了两种最佳的sgc8c变体，这两种变体同时表现出增强的热稳定性、生物稳定性和对蛋白质和细胞靶标的结合亲和力，为基于适配体的多种生物医学应用提供了新的途径

这项工作开发了一种基于核磁共振的简化方法，以克服理解和优化靶向膜蛋白的DNA适配体功能的挑战，并强调了三级相互作用在塑造DNA分子复杂结构和复杂功能方面的关键作用 More information: Axin He et al, Structure-based investigation of a DNA aptamer targeting PTK7 reveals an intricate 3D fold guiding functional optimization, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2404060121

Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences