A型螺旋结构调控了核酸的高效非酶促模板复制过程

《Chemical Communications》：A-type helicity controls efficient nonenzymatic template copying of nucleic acids

DNA自复制效率受双螺旋构象影响：分子动力学模拟显示RNA模板促使DNA/RNA杂合双螺旋形成稳定的A型构象（平均RMSD 1.1?），而纯DNA为B型（1.6?）。A型因O3′—P距离更短（中位数3.7?）、攻击角集中（150-160°）及更紧密的磷酸盐结合腔体（X偏移-3?），显著提升S_N?反应效率。质子化状态下，杂交体系D/RNA A的3′端糖环北构象比例达77.35%，而D/RNA B仅为35.14%。Mg2?离子通过稳定O3′去质子化（D/RNA B质子化状态仅28.68%北构象）促进磷酸转移。研究证实A型螺旋的稳定性和空间匹配性是高效非酶促复制的关键，为人工合成生物学提供新思路。

　　
该研究通过分子动力学模拟系统探讨了RNA模板对非酶促DNA自复制过程的影响机制。研究背景显示，非酶促DNA自复制作为生命起源的重要环节，近年来虽取得进展但存在效率不足的问题。实验发现，当DNA以RNA为模板时，其双螺旋结构从传统的B型转变为A型，这一结构转变显著提升了磷酸咪唑啉激活的DNA延伸效率。

在模拟方法方面，研究者构建了包含15核苷酸的DNA模板与RNA互补链组成的四套系统：纯RNA、纯DNA、D/RNA-A（起始为A型双螺旋）和D/RNA-B（起始为B型双螺旋）。特别设计了单分子镁离子（Mg2?）定位在磷酸基团与3'-羟基之间的催化位点，并通过质子化与去质子化两种状态研究反应动态。模拟时间总长达24微秒（每个系统3微秒），采用K均值聚类分析对轨迹数据进行结构分类。

核心发现包括：首先，RNA模板能有效诱导杂交双链形成稳定的A型构象。对比显示，纯DNA系统维持B型结构（糖环南构象占比10-30%，X位移约-1?），而RNA模板使A型特征（糖环北构象占比70-80%，X位移-4?）成为主导。其次，催化关键参数受结构影响显著：A型结构中3'-羟基与磷酸间距稳定在3.7-3.9?（最优反应距离3.1-5.1?），攻击角度集中在150-160°（最佳范围130-180°），且质子化状态下已有82.21%的DNA末端核苷酸呈现北构象。第三，镁离子在去质子化过程中发挥关键作用，去质子化后3'-羟基氧负电荷与Mg2?形成稳定配位（配位比1:1），同时促进邻近核苷酸糖环构象转变。

值得注意的是，纯DNA系统在去质子化后3'-末端糖环北构象比例高达99.38%，但相邻激活核苷酸的南构象比例仍达28.68%，导致磷酸-羟基间距（5.2?）超出最佳反应范围（3.1-5.1?）。而RNA模板系统在去质子化后，末端糖环北构象达99.99%，相邻核苷酸南构象比例骤降至7.12%，使磷酸-羟基间距稳定在3.7?左右，攻击角度集中在152-155°，显著优化了亲核取代反应（S_N2）的几何参数。

结构动力学分析表明，A型双螺旋的刚性结构（平均RMSD仅1.1?）能有效稳定催化中间体，而B型结构（平均RMSD达1.6?）的空间柔性导致活性位点频繁构象变化。特别在D/RNA-B系统中，尽管起始构象为B型，但1微秒内即发生结构转变（RMSD从1.6?降至1.1?），但未达到纯RNA系统的稳定A型构象（X位移稳定在-4?）。这种动态平衡解释了为何纯DNA系统复制效率仅为RNA模板系统的1/4.5。

实验还发现，糖环构象的协同变化对催化至关重要。当3'-末端核苷酸处于北构象时（无论是否去质子化），其相邻核苷酸倾向于南构象（DNA系统：28.68% vs 79.50%），这种构象互补使磷酸基团与羟基氧的接触更紧密。而去质子化过程不仅强化了末端核苷酸的北构象（纯DNA从82.21%提升至99.38%），更诱导相邻核苷酸发生构象转换（RNA系统从79.50%降至7.12%），这种链式反应最终形成稳定的A型双螺旋结构。

该研究对合成生物学和分子机器设计具有重要启示。通过RNA模板调控DNA的二级结构，可在无酶条件下实现高效精准的链式延伸。这一发现不仅验证了A型双螺旋在非酶促复制中的核心作用，还揭示了糖环构象的协同效应——末端核苷酸的北构象优先性（DNA系统82.21% vs RNA系统85.39%）与相邻核苷酸的南构象互补性共同构成高效催化网络。研究提出的"模板诱导结构-催化协同"机制，为人工分子系统设计提供了新范式，特别是对构建自复制DNA分子机器、发展新型生物合成技术具有重要指导价值。