來自伊利諾斯大學厄巴納香檳分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）,、霍德華休斯醫(yī)學院以及埃默里大學（Emory University）的研究人員利用一種高度敏感的技術(shù)發(fā)現(xiàn)了一種鉛特異性脫氧核酶（a lead-specific DNAzyme）利用“鎖-鑰匙”模式反應(yīng)的機制——這不同于其它的脫氧核酶，由于存在鋅離子或鎂離子,，同樣的脫氧核酶利用的是“誘導契合（induced fit）”模式機制,。
這一研究成果公布在《自然—化學生物學》（Nature Chemical Biology）雜志上，文章的通訊作者是伊利諾斯大學的魯毅（Yi Lu）教授，以及HHMI知名的研究員Taekjip Ha教授,，前者早年畢業(yè)于北京大學，主要研究興趣在于研究蛋白和核酸分子作用過程中金屬離子的功能,。
Yi Lu表示,，“鎖-鑰匙機制解釋了為什么這種鉛特異性的脫氧核酶能進行如此靈敏和選擇性強的應(yīng)答”，“加深結(jié)構(gòu)改變和反應(yīng)之間關(guān)系的了解對于我們進一步研究脫氧核酶如何工作的,，以及設(shè)計更有效的感應(yīng)器來說都是十分重要的,。”
早在20世紀80年代，科學家們發(fā)現(xiàn)RNA分子能催化酶反應(yīng),，并將之命名為核酶,，之后又發(fā)現(xiàn)DNA也可以作為一種酶作用,，命名為脫氧核酶(deoxyribozyme或DNAzyme)，其發(fā)現(xiàn)是人類對于酶的認識的又一次重大飛躍,。
核酸類酶（nucleic acid enzymes）僅僅只有四種核苷分子——不用于蛋白有20種,，因此也許需要補充一些輔助分子（cofactors），其中金屬離子就是一種天然的選擇,，而且實際上大部分核酸類酶都需要金屬離子輔助生理條件下的酶反應(yīng)（因此也稱為金屬酶）,。
金屬酶利用不同的模式行使功能，包括金屬依賴性結(jié)構(gòu)改變（誘導契合模式）,，以及另外一些不需要結(jié)構(gòu)改變的模式（鎖-鑰匙模式）,。相反，大部分核酶都需要在酶反應(yīng)之前發(fā)生結(jié)構(gòu)改變,。
研究人員在一種稱為單分子熒光共振能量轉(zhuǎn)移（single-molecule fluorescence resonance energy）技術(shù)的基礎(chǔ)上在靶標分子上加上了兩種染料分子——綠色和紅色,，然后用激光激活，這樣一些能量從綠色染劑轉(zhuǎn)移到了紅色染劑,，轉(zhuǎn)移的多少依賴于兩種染劑的距離,。
Ha表示，“兩者強度的改變比例就說明了兩種染劑分子的相對運動”,，“通過模擬這兩種染劑的明亮程度,，我們就可以在納米精度上檢測結(jié)構(gòu)改變了。”
這樣研究人員發(fā)現(xiàn),，當存在鋅離子或鎂離子的時候,，脫氧核酶就會發(fā)生結(jié)構(gòu)改變，之后即進行剪切反應(yīng)（類似于許多蛋白和核酶）,，但是當存在鉛的時候,，這種剪切反應(yīng)就不需要結(jié)構(gòu)變化。
Lu表示,，“這證明了鉛特異性酶利用的是鎖-鑰匙反應(yīng)機制”,，“這種脫氧核酶好像預(yù)先接受了鉛”。
“我們認為這一研究結(jié)果說明更快更靈敏的感應(yīng)器是屬于鎖-鑰匙模式機制的”,，“下一步我們將需要其它采用鎖-鑰匙模式的金屬離子特異性脫氧核酶,，而且，我們希望研究金屬綁定位點的結(jié)構(gòu)細節(jié),，以及觀測在催化過程中,，它們是如何變化的。”
原始出處:
Nature Chemical Biology 3, 763-768 (2007)
doi:10.1038/nchembio.2007.45
Dissecting metal ion–dependent folding and catalysis of a single DNAzyme
Hee-Kyung Kim1, Ivan Rasnik2,4, Juewen Liu1, Taekjip Ha2,3 & Yi Lu1
Protein metalloenzymes use various modes for functions for which metal-dependent global conformational change is required in some cases but not in others. In contrast, most ribozymes require a global folding that almost always precedes enzyme reactions. Herein we studied metal-dependent folding and cleavage activity of the 8–17 DNAzyme using single-molecule fluorescence resonance energy transfer. Addition of Zn2+ and Mg2+ induced folding of the DNAzyme into a more compact structure followed by a cleavage reaction, which suggests that the DNAzyme may require metal-dependent global folding for activation. In the presence of Pb2+, however, the cleavage reaction occurred without a precedent folding step, which suggests that the DNAzyme may be prearranged to accept Pb2+ for the activity. Neither ligation reaction of the cleaved substrates nor dynamic changes between folded and unfolded states was observed. These features may contribute to the unusually fast Pb2+-dependent reaction of the DNAzyme. These results suggest that DNAzymes can use all modes of activation that metalloproteins use.
Department of Chemistry, University of Illinois at Urbana-Champaign, 600 South Mathews Avenue, Urbana, Illinois 61801, USA.
Department of Physics, University of Illinois at Urbana-Champaign, 1110 West Green Street, Urbana, Illinois 61801-3080, USA.
Howard Hughes Medical Institute, 1110 West Green Street, Urbana, Illinois 61801, USA.
Present address: Emory University, Department of Physics, 400 Dowman Drive, Atlanta, Georgia 30322-2430, USA.
Correspondence to: Taekjip Ha2,3 Email: [email protected]
Correspondence to: Yi Lu1 Email: [email protected]
