上海交大趙一雷團隊發(fā)現(xiàn)硫修飾DNA的新型硫鍵在碘切反應和SBD蛋白識別中具有特殊意義
近日，綜合性權威雜志《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》和物理化學專業(yè)期刊《Physical Chemistry Chemical Physics》上發(fā)表了上海交通大學生命科學技術學院、微生物代謝國家重點實驗室趙一雷教授研究團隊在硫修飾DNA研究的最新進展, 分別題為“Origin of iodine preferential attack at sulfur in phosphorothioate and subsequent P-O or P-S bond dissociation”（PNAS, 2022, 119(17):e2119032119）、“Molecular recognition between bacterial phosphorothioate DNA and sulfur-binding domain (SBD): competition between the water cage and chalcogen-hydrophobic packet”（PCCP, 2022, 24: 9176 - 9187）兩篇關于硫修飾DNA中“硫-碘”強鹵鍵和“硫-氮Pro”弱硫鍵的研究成果。PNAS工作闡明了磷硫?；揎椢稽c與碘分子之間超強“硫-碘”鹵鍵引發(fā)了一系列化學反應, 導致在硫修飾位點發(fā)生DNA骨架剪切或硫氧轉化，揭示了在碘切法深度測序中硫修飾位點高選擇性剪切的分子機制。PCCP工作闡明了硫結合蛋白SBD利用脯氨酸的非氫鍵骨架氮的特殊電子結構高效區(qū)分正常DNA和硫修飾DNA，提出了“硫鍵-疏水”協(xié)同推拉分子識別機制。
PNAS論文中上海交大生命科學技術學院黃強博士、博士生李甲乙和美國加州大學洛杉磯分校Gina Young Lee博士為共同第一作者，生命科學技術學院趙一雷教授和中國科學院外籍院士Houk教授為共同通訊作者；PCCP論文中博士生李甲乙為第一作者，共同通訊作者劉光博士負責PT-DNA蛋白結合實驗驗證。上海交通大學生命科學技術學院為兩篇學術論文的第一署名單位/通訊單位。
碘切反應對DNA磷硫酰化修飾位點高度敏感，廣泛用于硫修飾細菌的DNA凝膠電泳檢測、深度測序和單分子測序。盡管其廣泛應用潛力，但切割機制并不清晰，一直以來并不清楚是否每個磷硫?；揎椢稽c都被準確而且完全地切割。研究團隊從碘切實驗現(xiàn)象出發(fā)，利用高階電子密度泛函理論計算揭示了碘分子通過超強的“硫-碘”鹵鍵與硫修飾DNA中硫原子化學選擇性結合，轉化為磷酸三酯類似物中間體而引發(fā)修飾位點的磷-氧鍵水解斷裂，因而硫修飾DNA的碘切割效率受限于硫氧轉化的旁路競爭。該成果為進一步研發(fā)硫修飾DNA的碘法精準深度測序提供了理論基礎。
在生物體內硫修飾DNA通過與蛋白質相互作用實現(xiàn)諸如表觀遺傳調控、限制性修飾等特殊的生理功能。雖然在反義RNA藥物開放中廣泛使用硫磷化修飾以增強對血漿、細胞表面和細胞內蛋白質的結合親和力，但生理性DNA硫修飾的分子識別機制與已知的人工設計核酸藥物迥然不同?；谙拗菩詢惹忻窼coMcrA 的共晶體結構，作者利用熱力學積分計算糾正了廣為流傳的“硫疏水性”驅動，闡明了正常DNA的強水合作用和硫修飾DNA的弱水合作用是PT-DNA進入蛋白疏水空穴的主要驅動力，并從中發(fā)現(xiàn)了獨特的“硫-氮Pro”硫鍵弱相互作用，它只存在于天然的硫修飾DNA和SBD蛋白的復合物中，而不存在于任何已知的人工合成硫代磷酸核苷酸和藥物靶標蛋白的復合物中。這種非共價相互作用是由P-S鍵的σ*反鍵軌道與脯氨酸殘基的氮孤對之間的電子離域形成的，其特征為超近的 S---N 距離和線性 P-S---N 夾角。這項研究為基于SBD硫識別蛋白的、PT-DNA引導的基因編輯分子機器提供了理論基礎。
該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、自然科學基金面上項目、教育部代謝與發(fā)育科學國際合作聯(lián)合實驗室的資助。
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論文鏈接：
https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2119032119
https://doi.org/10.1039/D2CP00291D
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