通过核磁共振（NMR）和体积测量技术研究四戊基铵与c-MYC G-四聚体的结合过程

《Chemistry – A European Journal》：Binding of Tetrapentylammonium to a c-MYC G-quadruplex Depicted through NMR and Volumetric Assessment

研究证实四戊基铵离子（TPeA?）通过NMR和体积测量形成稳定1:1复合物，结合位点位于c-MYC G-四联体的G9-G13-G18-G22 quartet上方，周围被3'端序列包裹。体积变化显示结合释放55个水分子，内部动力学变化约5%，表明外部结合模式未显著改变G-四联体结构，为拓扑选择性药物设计提供新思路。

　　G-quadruplexes，一种由单链DNA中富含鸟嘌呤的区域形成的非典型二级结构，因其在基因调控中的重要作用而备受关注。这类结构不仅在基因转录、翻译、DNA复制和端粒维持等关键生物学过程中发挥着重要作用，而且其稳定性在调控这些过程时具有重要意义。因此，开发能够选择性地与G-quadruplex结合的药物分子，成为控制其生物学功能的一种潜在策略。在此背景下，科学家们开始探索各种小分子，以期能够特异性地与不同拓扑结构的G-quadruplex相互作用。

本研究聚焦于四烷基铵（TAA?）离子，特别是五烷基铵（TPeA?）离子，对c-MYC G-quadruplex的结构和物理化学性质的影响。尽管TAA?离子通常被认为只是缓冲液的组成部分，但我们的研究发现它们能够以拓扑选择性的方式与G-quadruplex相互作用，尤其对平行结构的c-MYC G-quadruplex表现出显著的稳定作用，而对反平行结构的人类端粒G-quadruplex和双链DNA则影响较小。这种选择性不仅揭示了TAA?离子在调控G-quadruplex时的潜力，也为设计具有拓扑特异性的G-quadruplex结合剂提供了新的思路。

为了深入理解TPeA?与c-MYC G-quadruplex之间的相互作用，我们采用了一系列实验方法，包括核磁共振（NMR）光谱、密度测量和声速测量。NMR光谱结果表明，TPeA?与c-MYC G-quadruplex形成了稳定的1:1结合复合物，其中TPeA?位于G9-G13-G18-G22四联体的上方，并被3′端的T23-A24-A25区域包围。这些结构信息为理解TPeA?如何与G-quadruplex相互作用提供了直接的证据。此外，我们还观察到，随着TPeA?浓度的增加，c-MYC G-quadruplex的熔点显著上升，这表明TPeA?能够有效增强其热稳定性。

通过密度和声速测量，我们进一步分析了TPeA?结合过程中伴随的体积变化（ΔV）和等熵压缩性变化（ΔK?）。结果表明，TPeA?与c-MYC G-quadruplex结合时，体积增加了约11 cm3 mol?1，而等熵压缩性则增加了约60×10?? cm3 mol?1 bar?1。这些变化不仅反映了TPeA?与G-quadruplex结合时对溶剂水合状态的影响，也揭示了G-quadruplex内部动态的变化。体积的增加意味着TPeA?的结合释放了部分被DNA束缚的水分子，而等熵压缩性的增加则表明这些释放的水分子在结合过程中对周围环境产生了显著的影响。

进一步分析显示，TPeA?的结合会导致G-quadruplex的溶剂可及表面积减少约686 ?2，而分子体积则减少约198 ?3。这些变化表明，TPeA?与G-quadruplex的结合主要影响了其表面的水合状态，而对整体结构的改变较小。结合的水分子释放到溶液中，导致体积增加，同时也使得G-quadruplex的内在动态性有所下降。具体而言，TPeA?的结合导致约55个水分子从DNA的水合层中释放出来，这一现象与G-quadruplex的结构稳定性变化密切相关。

从结构角度来看，TPeA?的结合方式是外部的，即它并不侵入G-quadruplex的内部结构，而是与末端的G9-G13-G18-G22四联体发生作用。这种外部结合方式与我们之前的研究结果一致，即TPeA?对c-MYC G-quadruplex具有特异性的结合能力，而对其他结构的G-quadruplex则无明显影响。这种选择性可能与TPeA?的尺寸和电荷分布有关，它能够与特定的G-quadruplex结构形成稳定的相互作用，而不会对其他结构造成干扰。

此外，我们还发现，TPeA?与c-MYC G-quadruplex的结合不仅影响了其水合状态，还改变了其内在动态性。通过计算内在压缩性变化，我们得出TPeA?结合导致G-quadruplex的动态性下降约5%。这种变化可以解释为，结合过程释放了部分低压缩性的水分子，使得G-quadruplex的结构变得更加稳定，从而减少了其内部的波动性。这一结果与我们对G-quadruplex结构和功能的理解相吻合，也表明TPeA?作为一种简单的阳离子，其与G-quadruplex的相互作用具有重要的生物学意义。

从实验方法的角度来看，本研究采用了多种先进的技术手段，包括NMR光谱、密度测量和声速测量，以全面评估TPeA?与c-MYC G-quadruplex的相互作用。NMR光谱不仅提供了关于结合结构的直接信息，还通过化学位移和信号强度的变化揭示了结合过程中分子间相互作用的细节。密度和声速测量则帮助我们理解了结合过程中水合状态的变化，以及这些变化如何影响G-quadruplex的整体物理性质。这些实验数据的结合，使我们能够从多个层面揭示TPeA?与G-quadruplex相互作用的机制。

通过这些研究，我们进一步确认了TPeA?作为G-quadruplex结合剂的潜力。其独特的结合方式和选择性，使其在调控G-quadruplex的结构和功能方面具有重要应用前景。例如，在癌症治疗中，c-MYC G-quadruplex的稳定可能有助于抑制c-MYC基因的表达，从而影响肿瘤的生长。此外，TPeA?的结构简单，且不含有芳香环，这使得它与其他常见的G-quadruplex结合剂相比，具有更易合成和修饰的优势。

综上所述，本研究不仅深化了我们对TAA?离子与G-quadruplex相互作用机制的理解，也为设计新的拓扑选择性G-quadruplex结合剂提供了重要的实验基础。通过NMR光谱和体积测量，我们揭示了TPeA?如何与c-MYC G-quadruplex形成稳定的复合物，并分析了其对水合状态和内在动态性的影响。这些发现为未来的药物开发和基因调控研究提供了新的视角和方法。