《Nature》解读DNA核酶在细胞内的工作原理

一个DNAzyme(红色)利用它的结合臂在RNA链(黄色)的特定位置上停靠，然后在其核心将其裂解。利用高分辨率、实时核磁共振、电子顺磁共振、荧光光谱以及分子动力学模拟等方法对DNAzyme的结构和催化机理进行了表征。

脱氧核酶（DNAzymes）脱氧核酶是一种精确的生物催化剂，可以破坏不需要的RNA分子。然而，在医学上使用它们的主要障碍仍然存在。来自Heinrich Heine大学Düsseldorf (HHU)、Jülich研究中心(FZJ)和波恩大学的一个研究小组用原子分辨率实时研究了DNAzymes是如何工作的。他们现在已经将这些重要的基础发现及其应用发表在著名杂志《Nature》上。

其目的是针对病毒、癌症或受损神经细胞中不需要的RNA分子，使用DNAzymes攻击并摧毁它们。这是通过结合与目标RNA分子上的核苷酸序列相匹配的序列来实现的。DNAzyme精确地停靠在匹配的位置，核心裂解RNA分子，然后RNA分子的片段在细胞中迅速降解。绑扎臂的更换方便快捷。

这种疗法的好处是显而易见的:不需要的RNA可以被精确地破坏，而细胞中其他有用的RNA链却保持原样。在SARS-CoV2和埃博拉等病毒中，遗传物质编码在RNA分子上。像健康细胞一样，癌细胞使用所谓的信使RNA (mRNA)从其DNA中复制蛋白质的蓝图，并将其转移到分子工厂。癌细胞中的mRNA序列通常与健康细胞稍有不同，或者数量不同，这意味着DNAzymes可以特异性地攻击癌细胞而不伤害其他细胞。

Holger Gohlke博士说:“这个在理论上听起来很出色，但在20年前就已经提出的研究，不幸的是，在医疗实践中却不是这样的。”在试管中，DNAzymes能够非常有效地破坏RNA分子，但这在细胞中很少发生。一定有一个竞争性的过程来阻止DNAzymes。然而，如果没有对其功能的基本了解，就很难开发出能够在细胞中完成其工作的改良DNAzyme变体。

在他们的研究中，来自HHU的作者和一个来自Jülich研究中心(FZJ)、波恩大学和一家瑞士公司的团队试图了解系统作为一个整体是如何动态运作的，在结合和裂解过程中发生了哪些步骤，以及哪些辅助因子支持反应。

研究人员在原子分辨率下观察了这一过程，并使用高分辨率核磁共振(NMR)谱仪进行了部分实时观察。这使得他们能够描绘出DNAzyme所假定的三维原子排列，DNAzyme将RNA结合并裂解:核心以一种高效的方式包裹RNA链，通过几个中间步骤将其裂解成两段。在分裂后，DNAzyme释放碎片，并可以在其他地方再次结合。

HHU制药和药物化学主席、FZJ生物和地球科学研究所的Holger Gohlke教授团队对DNAzyme/RNA复合物进行了分子动力学模拟，补充道:“在最佳的整合建模意义上，我们能够提出原子水平上可信的RNA裂解机制，并提供裂解位点上RNA碱基偏好的信息。”

Etzkorn工作组博士研究员兼该研究的主要作者Jan Borggräfe解释了为什么DNAzymes在细胞中不能很好的工作:“我们确定镁作为一个关键的辅助因子，在该机制中发挥着各种重要作用，但它与DNAzyme的结合相对较差，而且只是短暂地结合。细胞中还有其他对镁有更大亲和力的成分从DNAzyme中‘窃取’镁可以这么说。”

下一步是对细胞培养和类器官进行结构研究。治疗应用的目标是通过靶向修饰提高DNAzymes的镁亲和力，从而提高其在生物组织中的活性。

Etzkorn博士指出了进一步的应用领域:“我们研究所的重点是神经退行性疾病的研究，我们也看到了DNAzymes的良好潜力。就帕金森氏症而言，在某些情况下，它们可能能够破坏驱动α -synuclein产生的mRNA序列，而大量α -synuclein会促进神经毒性过程。”DNAzymes也可能产生一种新的抗生素。

哈佛大学物理生物学研究所和FZJ结构生物化学研究所主任长Dieter Willbold教授补充说:“这项研究是结构生物学基础研究如何为突破性生物医学进步提供重要贡献的又一个例子。生物分子核磁共振中心的新旗舰——1.2 GHz核磁共振设备——已经为这一成功做出了贡献。”

参考文献: “Time-resolved structural analysis of an RNA-cleaving DNA catalyst” by Jan Borggräfe, Julian Victor, Hannah Rosenbach, Aldino Viegas, Christoph G. W. Gertzen, Christine Wuebben, Helena Kovacs, Mohanraj Gopalswamy, Detlev Riesner, Gerhard Steger, Olav Schiemann, Holger Gohlke, Ingrid Span and Manuel Etzkorn, 23 December 2021, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-04225-4