近日，國際學術期刊Journal of the American Chemical Society在線發表了華中農業大學動物科學技術學院、動物醫學院位燈國教授團隊和英國倫敦大學學院（UCL）藥學院Shozeb Haider教授合作研究成果，題為“Mechanistic Insights into the Ligand-Induced Unfolding of an RNA G-Quadruplex”。通過計算模擬結合生物化學實驗，揭示了卟啉化合物TMPyP4破壞RNA G-四鏈體結構的機制；為研究G-四鏈體與配體互作以及靶向RNA G-四鏈體的去穩定劑設計提供了新思路。
G-四鏈體是由鳥嘌呤富集序列折疊成的特殊核酸結構，它的形成會影響基因復制、轉錄以及翻譯等過程。加入小分子破壞特定G-四鏈體的結構，可簡單快捷地降低其對生物過程的干擾。然而，目前，破壞G-四鏈體結構的小分子只是在實驗中偶然篩選到的（如，TMPyP4）。我們對小分子破壞其結構的作用機制知之甚少，無法靶向特定G-四鏈體結構設計專一性的去穩定劑。為開發反向驗證G-四鏈體功能的小分子工具，揭示G-四鏈體結構去穩定劑作用機制、發展設計方法，顯得非常有必要。
圖 1 TMPyP4破壞G-四鏈體結構機制
前期，位燈國教授團隊在偽狂犬病毒唯一立即早期基因IE180 3' UTR區域鑒定出一段促進IE180表達和病毒增殖的RNA G-四鏈體可形成序列，發現TMPyP4破壞該G-四鏈體結構，并對病毒呈現了明顯的抑制效果（RNA Biology，2020）；通過單波長反常散射解析了TMPyP4與RNA G-四鏈體的兩個復合物結構（Nucleic Acids Research, 2020）。
基于復合物結構以及生物物理實驗，團隊成員猜測小分子與G-四鏈體的兩個復合物結構可能是小分子破壞G-四鏈體過程中存在的兩個狀態，便采用增強采樣的分子動力學模擬，發現小分子TMPyP4在解開G-四鏈體結構之前，先與G-四鏈體結合，經過loop 區的引導，小分子在G-quartet表面（四個鳥嘌呤通過氫鍵組成的平面）振動，在groove 中滑動，最后促成G-四鏈體結構的解鏈。小分子斜插在groove 和G-quartet交界處的構象是促成G-四鏈體的解開的一個關鍵狀態。
該工作將計算模擬與生化實驗分析相結合，揭示小分子改變G-四鏈體構象的動態轉變機制。基于轉變的關鍵狀態，有望設計出高選擇性的G-四鏈體去穩定劑。該工作為G-四鏈體功能研究或者以G-四鏈體為靶點的抗病毒藥物分子設計提供新思路。
英國布里斯托爾大學Susanta Haldar博士和華中農業大學張雅姝博士為論文的第一作者，華中農業大學動科、動醫學院位燈國教授和倫敦大學學院藥學院Shozeb Haider教授為通訊作者。本研究得到國家自然科學基金、中央高校基本科研經費等項目資助。
【英文摘要】
The cationic porphyrin TMPyP4 is a well-established DNA G-quadruplex （G4） binding ligand that can stabilize different topologies via multiple binding modes. However, TMPyP4 can have both a stabilizing and destabilizing effect on RNA G4 structures. The structural mechanisms that mediate RNA G4 unfolding remain unknown. Here, we report on the TMPyP4-induced RNA G4 unfolding mechanism studied by well-tempered metadynamics （WT-metaD） with supporting biophysical experiments. The simulations predict a two-state mechanism of TMPyP4 interaction via a groove-bound and a top-face-bound conformation. The dynamics of TMPyP4 stacking on the top tetrad disrupts Hoogsteen H-bonds between guanine bases, resulting in the consecutive TMPyP4 intercalation from top-to-bottom G-tetrads. The results reveal a striking correlation between computational and experimental approaches and validate WT-metaD simulations as a powerful tool for studying RNA G4–ligand interactions.
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c11248
