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科学家介绍新式“化学鼻”:可嗅出DNA结构的关键差异

2021-05-08 22:54 · 稿源:cnbeta

DNA 结构的微小变化,对癌症等疾病的早期筛查与治疗都有着重大的影响。遗憾的是,直到现在,科学家们都很难找到轻易分辨的方法。不过据 SCI Tech Daily 报道,加州大学河滨分校(UC Riverside)的化学家,刚刚展示了能够以独特的方式来嗅探 DNA 折叠片段的“化学鼻”。这项创新的研究,或有助于促进未来的癌症研究和药物开发。

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响应型 G-四链体检测系统示意图(来自:Richard Hooley / UCR)

研究作者兼 UCR 化学教授钟文万表示:“如果 DNA 序列被折叠,可能阻止与该特定 DNA 片段相连的基因转录。尽管或许会产生负面影响,但若能够让潜在致癌或促进肿瘤生长的基因静默,我们也有望迎来更加积极的结果”。

据悉,DNA 折叠可能阻止病毒蛋白的产生,从而最大限度地降低免疫反应。而研究这些褶皱如何正面或负面地影响生物,首先就是被科学家发现并证明了它们的存在。

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研究配图 - 1:主宾传感系统的无标签分类与判别

为此,UCR 有机化学教授 Richard Hooley 与同事们携手,对一个原先用于感知其它事物的概念装置进行了修改。

此前他们考虑过用它来测定不同年份的葡萄酒中的化学成分,但系统中被当做“鼻子”的化学物质,也能够设计成可“嗅探”几乎任何种类的目标分子。

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研究配图 - 2:DNA 链与各种主染料配合物的影响

虽然常规版本的“化学鼻”并不能直接用于 DNA 的检测,但在 UCR 研究团队为其引入了其它非标准成分之后,这套概念系统中的“鼻子”就能够嗅探到 DNA 靶标了。

Richard Hooley 解释称:人类吸气的时候,鼻内受体可与空气中含有的特定气味分子结合,从而实现嗅探的功能。

我们的系统与之类似,因为它同样含有能够与我们找寻的 DNA 折叠相互作用的多种受体。

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研究配图 - 3:基于选择性阵列的可变 DNA 结构感知

据悉,“化学鼻”由主体分子、荧光客体、以及目标 DNA 三部分组成。当出现所需的褶皱时,壳体就会发出荧光,提醒科学家们有在样本中检出。

目标脱氧核糖核酸(DNA)由腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、以及胸棉嘧啶(T)四种基础碱基对组成,通常可形成类似梯子的双螺旋结构。

不过富含鸟嘌呤的区域,有时会以不同的方式进行折叠,从而形成了所谓的 G-四链体。

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研究配图 - 4:一套 23 G-四链体结构的分类与判别

此前,研究人员已经知晓了折叠对基因表达的调节作用,但形成 G-四链体结构的基因组部分依然相当复杂,且它们在保持细胞健康方面起到了关键作用。

对于新实验,研究人员希望证明他们能够检测到一种由四个鸟嘌呤组成的特定类型四链体,然后在此基础上继续向前推进。

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研究配图 - 5:可检测结构拓补与 G4s 混合物浓度变化的更复杂感知阵列

钟文万表示,现在他们认为可以做到更多,因为 DNA 中还有其它三维结构,大家同样希望对这些结构有着深入的了解。

为此,他们将研究破坏 DNA 的力是如何影响其折叠方式的。此外考虑到 RNA 在细胞中也起到了重要的作用,他们也将对 RNA 折叠展开相应的研究。

即便 RNA 的结构比 DNA 还要复杂,且分析起来更加困难。但对其结构的深入了解,也在未来的疾病研究中具有相当大的潜力。

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研究配图 - 6:一组主·染料(Host · dye)结构示意

有关这套系统的设计和演示介绍,已经发表在 2021 年 4 月 1 日出版的《自然化学》(Nature Chemistry)期刊上。

原标题为《Selective discrimination and classification of G-quadruplex structures with a host–guest sensing array》。

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