上海交大趙一雷團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)硫修飾DNA的新型硫鍵在碘切反應(yīng)和SBD蛋白識(shí)別中具有特殊意義
近日，綜合性權(quán)威雜志《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》和物理化學(xué)專業(yè)期刊《Physical Chemistry Chemical Physics》上發(fā)表了上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院、微生物代謝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙一雷教授研究團(tuán)隊(duì)在硫修飾DNA研究的最新進(jìn)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(guān)于硫修飾DNA中“硫-碘”強(qiáng)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(diǎn)與碘分子之間超強(qiáng)“硫-碘”鹵鍵引發(fā)了一系列化學(xué)反應(yīng), 導(dǎo)致在硫修飾位點(diǎn)發(fā)生DNA骨架剪切或硫氧轉(zhuǎn)化，揭示了在碘切法深度測序中硫修飾位點(diǎn)高選擇性剪切的分子機(jī)制。PCCP工作闡明了硫結(jié)合蛋白SBD利用脯氨酸的非氫鍵骨架氮的特殊電子結(jié)構(gòu)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(shí)別機(jī)制。
PNAS論文中上海交大生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院黃強(qiáng)博士、博士生李甲乙和美國加州大學(xué)洛杉磯分校Gina Young Lee博士為共同第一作者，生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院趙一雷教授和中國科學(xué)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(fù)責(zé)PT-DNA蛋白結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院為兩篇學(xué)術(shù)論文的第一署名單位/通訊單位。
碘切反應(yīng)對DNA磷硫?；揎椢稽c(diǎn)高度敏感，廣泛用于硫修飾細(xì)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(yīng)用潛力，但切割機(jī)制并不清晰，一直以來并不清楚是否每個(gè)磷硫酰化修飾位點(diǎn)都被準(zhǔn)確而且完全地切割。研究團(tuán)隊(duì)從碘切實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā)，利用高階電子密度泛函理論計(jì)算揭示了碘分子通過超強(qiáng)的“硫-碘”鹵鍵與硫修飾DNA中硫原子化學(xué)選擇性結(jié)合，轉(zhuǎn)化為磷酸三酯類似物中間體而引發(fā)修飾位點(diǎn)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(zhuǎn)化的旁路競爭。該成果為進(jìn)一步研發(fā)硫修飾DNA的碘法精準(zhǔn)深度測序提供了理論基礎(chǔ)。
在生物體內(nèi)硫修飾DNA通過與蛋白質(zhì)相互作用實(shí)現(xiàn)諸如表觀遺傳調(diào)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(qiáng)對血漿、細(xì)胞表面和細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的結(jié)合親和力，但生理性DNA硫修飾的分子識(shí)別機(jī)制與已知的人工設(shè)計(jì)核酸藥物迥然不同。基于限制性內(nèi)切酶ScoMcrA 的共晶體結(jié)構(gòu)，作者利用熱力學(xué)積分計(jì)算糾正了廣為流傳的“硫疏水性”驅(qū)動(dòng)，闡明了正常DNA的強(qiáng)水合作用和硫修飾DNA的弱水合作用是PT-DNA進(jìn)入蛋白疏水空穴的主要驅(qū)動(dòng)力，并從中發(fā)現(xiàn)了獨(dú)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(fù)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(biāo)蛋白的復(fù)合物中。這種非共價(jià)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(xiàng)研究為基于SBD硫識(shí)別蛋白的、PT-DNA引導(dǎo)的基因編輯分子機(jī)器提供了理論基礎(chǔ)。
該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、教育部代謝與發(fā)育科學(xué)國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)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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