研究背景
除了典型的 Watson-Crick 双螺旋结构，生物体内的 DNA 分子还存在着多种变体，例如发夹结构，十字形结构，平行双链、三链、四链体结构等，DNA 结构的多样性在调节细胞功能和维持各种生命活动中发挥着关键作用。其中，鸟嘌呤（G）四链体大量存在于基因复制起始位置、启动子区域和染色体末端，广泛参与细胞分裂和增殖，有望成为癌症治疗和干预的潜在靶点，因而一直以来被广泛关注和研究。近年来，谱学实验和理论计算提出，G 三链体是 G 四链体形成过程中的中间体，二者分别由 G 三聚体和 G 四聚体作为基本结构单元堆叠而成。为了进一步明确这两种 DNA 大分子的结构和功能，其基本结构单元 G 四聚体和 G 三聚体也相继被引入到表面科学领域，通过超高真空扫描隧道显微镜（UHV-STM) 进行实空间研究，但二者之间的相对稳定性及潜在结构转变的实空间证据至今还未见报导。
文章简介
同济大学许维教授课题组在超高真空环境下模拟生物体系，选择 9-乙基鸟嘌呤（9eG）和碱金属钠（Na）在 Au(111)表面制备了 G 三聚体（9eG3Na2）和 G 四聚体（9eG4Na1），通过调控体系中分子/金属配比实现了两种结构的可控相互转变。这项工作中利用高分辨率 STM 展示了 G 三聚体和 G 四聚体相互转变的实空间证据，并进一步结合密度泛函理论（DFT）计算证实了两种结构的相对稳定性。相关结论显示，体系中 G 分子富集的情况下，G 四聚体是一种热力学上比 G 三聚体更稳定的结构。表面方法研究 G 三聚体和四聚体之间的关系，将有助于增强人们对 G 四链体和三链体之间关系的认知，并进一步理解 DNA 结构多样性在维持生物体细胞功能和生命活动中的重要作用。
图文解析
▲ | 图 1. 通过调控表面上分子/金属配比，实空间展示了 9eG4Na1 四聚体和 9eG3Na2 三聚体结构的形成以及他们之间的可逆相互转变。(a) 9eG 分子在 Au(111)表面的自组装结构；（a-b）向体系中引入金属 Na，表面上首先形成 9eG4Na1 四聚体网络结构；(b-d) 向体系中逐步引入过量的金属 Na，四聚体结构逐渐完全转变成为 9eG3Na2 三聚体结构；(d-f) 向体系中逐步引入足够的分子 9eG，三聚体结构转变回到四聚体结构。 |
▲ | 图 2. 9eG4Na1 四聚体结构的 STM 图像及 DFT 优化模型。 |
▲ | 图 3. 9eG3Na2 三聚体结构的 STM 图像及 DFT 优化模型。 |
▲ | 图 4. 9eG4Na1 四聚体和 9eG3Na2 三聚体共同组装形成杂化结构的 STM 图像及 DFT 优化模型。 |
论文信息
Interconversion between guanine quartets and triads on the Au(111) surface
Yuanqi Ding (丁元琪，同济大学), Lei Xie, Donglin Li, Hanlin Shen, Cuiyu Li and Wei Xu* (许维，同济大学)
Chem. Commun., 2022,58, 3198-3201
http://doi.org/10.1039/D2CC00060A
