四川大学李峰课题组《自然·通讯》：使用小分子DNA binder实现可编程动态DNA化学

引言

小分子通过插入或沟槽结合的方式与DNA的双螺旋结构结合，可能会显着改变DNA的稳定性和功能。小分子与双链DNA（dsDNA）之间的相互作用是许多抗癌和抗感染药物的基础。迄今为止，DNA binder的大多数应用依赖于它们与dsDNA或更复杂的DNA结构的静态相互作用。

成果简介

四川大学李峰教授课题组证明了toehold介导的链置换反应（TMSD）在低金属阳离子条件下的反应途径可以使用小分子DNA binder进行编程。基于此，实现了对于小分子binder的一站式综合分析，可准确测定其中关键的结合参数，包括结合常数（Kd）结合位点大小（n）、协同性（ω）、焓（ΔH）和熵（−TΔS）的贡献以及序列选择性。还利用这一特性实现了高通量药物筛选，从700种化合物的库中成功发现了8种新的DNA binder。该成果以“Enabling programmable dynamic DNA chemistry using small-molecule DNA binders”为题发表在Nat. Commun.期刊上。第一作者为许骏鹏，通讯作者为李峰教授。

图文解读

图1：DNA链置换反应的反应途径。a，实现典型的TMSD反应的两种可能的反应途径（SN1 和 SN2）。b，常规TMSD反应以S N2为主反应途径，其中金属阳离子有助于稳定中间三链体产物。c，在不含或非常低浓度的DNA binder的缓冲液中激活TMSD反应的SN1反应途径，其在BIND曲线中标记为I。d，低浓度的DNA binder的缓冲液中两种反应途径均被抑制，在BIND曲线中标记为II。e，高浓度 DNA binder的缓冲液中激活 SN2反应途径，其在 BIND 曲线中标记为III。

图2 不同亲和力和电荷条件的binder的响应曲线。a，通过绘制链置换反应产率与SG-I浓度的关系图而建立的典型BIND曲线。b-c，Kbind和ΔGbind与SG-I浓度的定量关系拟合。d-e，不同亲和力和电荷条件的binder的反应活度系数变化。f-i，不同亲和力和电荷条件的binder的BIND曲线。j-m，二乙酰胺三氮脒，醌霉素A，二氯三(1,10-菲罗啉)钌(II)和1-BQC的BIND曲线。

图3 使用BIND分析DNA binder作用的亲和力。a，在BIND曲线的SN1反应区域确定小分子的亲和力。b，使用BIND测定的16种小分子的Kd值与文献报道值对比。c，使用BIND测定的16种小分子的结合位点大小与文献报道值对比。d，通过绘制临界小分子浓度与测定的Kd值分析16个小分子的结合协同性。e，协同的binder Eva Green的BIND曲线。f，非协同的binder Pico Green的BIND曲线。

图4 使用BIND分析小分子binder的结合热力学。a，使用BIND计算的15个binder的ΔG，ΔH，和−TΔS值。b，比较使用BIND获得小分子的的焓的贡献值和文献中报道的12种binder的焓的贡献。c，插入结合binder噻唑橙的ΔH和ΔS计算。d，使用分子对接预测噻唑橙的结合模式。e，小沟结合binder Hoechst 33258的ΔH和ΔS计算。f，使用分子对接预测Hoechst 33258的结合模式。g，netropsin的ΔH和ΔS计算。h，使用分子对接预测netropsin的结合模式。

图5 使用BIND确定DNAbinder的序列选择性。a，用于确定DNA binder的序列选择性的竞争性BIND反应的示意图。b，更易于与sink序列结合的binder的BIND曲线预期偏移示意图。c，sink序列结合没有选择性的binder的BIND曲线不会偏移。d，使用BIND确定DAPI对包含5'-TAAAT-3'序列的选择性的示意图。e，[sink]/[CP]比从0增加到100的BIND曲线的偏移。f，通过不同[sink]/[CP]比例下的临界浓度确定DAPI的选择性系数。g，使用BIND对不同GC含量的sink进行序列选择性分析。h，用BIND定量分析九种代表性DNA binder的序列选择性。i-n，不同binder的序列选择性分析， netropsin（i，j），放线菌素D（k，l）和SYBR Green I（m，n）。

图6 使用BIND高通量筛选新的DNA binder。a，串联BIND反应作为新DNA binder的高通量筛选的设计原理。b，串联BIND反应的流程图。c，使用已知结合能力的分子对串联BIND反应进行验证。d，700种化合物池的高通量筛选BIND测定结果。e，使用netropsin作为阳性对照，1-BQC作为阴性对照确定串联BIND反应的Z’系数。f，确定反应高通量筛选中样品的影响的Z系数。g-j，从串联BIND测定中获得的4个hit的结构。k，使用BIND确定S20的结合亲和力和结合位点大小。i，存在不同浓度的S20时dsDNA的熔解曲线。m，使用BIND测量的S20的关键热力学参数和使用分子对接的预测结合模式。

总结与展望

本文中，作者研究了不同浓度binder存在下的DNA链置换反应原理，利用这一特性，实现了对于小分子binder的关键结合参数的准确测定，包括结合常数（Kd）结合位点大小（n）、协同性（ω）、焓（ΔH）和熵（−TΔS）的贡献以及序列选择性等。此外，利用竞争性BIND反应，实现了药物的高通量筛选，从700个化合物中筛选出8个hit。

文献链接

https://doi.org/10.1038/s41467-023-40032-3

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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