《Journal of the American Chemical Society》：A Flexible Quadruple-Stranded Helicate Demonstrates a Strong Binding Preference for DNA Three-Way Junctions by Induced Fit
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Nucleic acid junctions are key biological targets, and this study investigates a quadruple-stranded Pt helicate showing stronger affinity for 3WJ than 4WJ, challenging symmetry-based design. Experiments (MST, ITC, PAGE) and MD simulations reveal size匹配 is more critical than shape complementarity, with induced-fit binding to 3WJ via cavity expansion and π stacking. The Pt helicate’s 3WJ Kd is 12 nM, while 4WJ binding is weak (>4 μM). Simulations show dynamic interactions, including base pair opening and chirality inversion, unlike rigid triple-helicate cylinders. This highlights size主导的机制和柔性配体的优势。
DNA结构在生物过程中扮演着至关重要的角色，从基因重组和修复到病毒核酸的插入等关键功能都依赖于其特定的构型。DNA作为遗传信息的载体，不仅是细胞生命活动的基础，还因其在细胞内的动态特性成为药物设计的重要目标。传统的DNA结合药物，如交叉连接剂（如顺铂及其衍生物）和插入剂（如蒽环类药物），虽然在临床中被广泛应用，但它们通常缺乏特异性，容易对正常细胞造成不良影响。因此，寻找能够特异性识别和结合DNA非典型结构的化合物成为研究的热点。
DNA连接结构（junctions）因其独特的构型和功能而受到特别关注。四链DNA连接结构（4WJ）最初于1964年被提出，作为同源重组中的主要中间体，它在修复停滞的复制叉和双链断裂中发挥重要作用。这种结构由四个双链区域在分支点处交汇，可以采取两种主要构型：开放的十字形（open cruciform）和闭合的X堆叠（closed X-stacked）。其中，开放的十字形构型在生物过程中更为常见。相比之下，三链DNA连接结构（3WJ）在正常细胞过程中的作用并不显著，但其在基因组中三核苷酸重复区域的形成中具有重要意义，这些区域与一些遗传疾病如脆性X综合征和亨廷顿氏病有关。3WJ由三个双链区域交汇于分支点，形成一个相对较小的腔体。
近年来，随着对DNA连接结构作为生物靶点的研究不断深入，科学家们发现了一些能够特异性结合这些结构的新型化合物。例如，带有咪唑表面的有机金属柱状物（pillarplexes）能够通过其结构特性进入3WJ的腔体并稳定其构型。此外，一些具有类似形状和尺寸的金属配合物，如铂金属笼（Pt-BIMA），也表现出对3WJ的结合能力。这些研究为DNA连接结构的识别和结合提供了新的视角，但对结合机制的理解仍处于初级阶段。
在本研究中，科学家们设计并合成了一种新型的四链金属笼结构，其主要成分是铂（Pt）和四个L1配体。这种结构的尺寸和形状虽然与4WJ具有一定的匹配性，但在实验中却表现出更强的对3WJ的亲和力。通过微尺度热泳（MST）、等温滴定量热法（ITC）和凝胶电泳竞争实验，研究人员发现该金属笼与3WJ的结合常数（Kd）仅为12 nM，而与4WJ的结合常数则大于4 μM。这表明，尽管金属笼的结构对称性较高，但其结合偏好更多地受到尺寸因素的影响。
实验结果得到了分子动力学（MD）模拟的有力支持。模拟显示，当金属笼进入4WJ的腔体时，由于其尺寸相对较小，无法同时与四个分支点碱基对形成稳定的π堆积，导致其在腔体内旋转，难以维持一个稳定的结合构型。相反，当金属笼与3WJ结合时，其尺寸虽略大于3WJ的腔体，但可以通过破坏一个碱基对，使腔体扩大，从而实现更好的结合。这种“诱导契合”（induced fit）的结合方式，意味着DNA连接结构本身具有一定的动态性，能够根据结合物的特性进行调整，以达到最佳的结合效果。
值得注意的是，该金属笼在结合过程中表现出一定的灵活性，能够根据腔体的形状进行结构调整。这种调整不仅包括DNA结构的变形，还包括金属笼自身的构型变化，如手性反转（chiral inversion）。这种灵活性使得金属笼能够更好地适应3WJ的腔体，而相比之下，传统意义上的“锁钥式”结合（lock-and-key binding）则要求结合物与目标结构之间具有高度的形状匹配。本研究中，金属笼与3WJ的结合模式更接近于“手套与手”的契合方式，即结合物和目标结构在结合过程中相互适应，形成一个稳定的复合体。
为了进一步验证这一结论，研究人员通过多种实验方法对金属笼与不同DNA结构的结合能力进行了系统评估。例如，通过凝胶电泳竞争实验，研究人员发现该金属笼对3WJ的结合能力显著高于对dsDNA和4WJ的结合能力。此外，使用等温滴定量热法（ITC）和微尺度热泳（MST）等技术，研究人员测量了金属笼与3WJ的结合常数，并发现其在3WJ上的结合能力远高于在4WJ上的结合能力。这些结果表明，尽管金属笼在结构上具有一定的对称性，但其结合能力主要受到尺寸和形状匹配的影响。
此外，研究人员还探讨了该金属笼对dsDNA的结合能力。虽然该金属笼对3WJ具有较高的亲和力，但其对dsDNA的结合能力相对较弱。通过荧光位移实验和圆二色光谱（CD）分析，研究人员发现该金属笼对dsDNA的结合主要依赖于静电相互作用，而不是特定的几何匹配。这种弱结合特性可能与其尺寸较小有关，难以与dsDNA的双螺旋结构形成稳定的结合。
总的来说，这项研究揭示了DNA连接结构与结合物之间的复杂相互作用关系。通过结合实验和模拟，研究人员发现尺寸匹配在结合过程中起着关键作用，而形状匹配则在某些情况下可能被诱导契合所弥补。这种新的结合模式为设计更高效的DNA和RNA连接结构结合化合物提供了重要的理论依据和实验支持。未来的研究可能会进一步探索如何通过调整尺寸和形状来优化结合物的特异性，从而在治疗遗传性疾病和癌症等方面发挥更大的作用。
