分子拥挤环境下Hg2+与DNA中T-T错配碱基对特异性结合的机制研究及其纳米技术应用潜力

本研究首次揭示了分子拥挤环境对Hg2+与DNA中T-T错配形成T-Hg-T金属碱基对的影响。通过UV熔解、圆二色谱(CD)和等温滴定量热法(ITC)证实，尽管1:1结合比例保持不变，但分子拥挤导致结合常数Ka降低、焓变ΔH增大、熵变ΔS减小，这为理解体内金属-核酸相互作用及开发纳米技术应用提供了新见解。

　　

在生命活动的微观世界里，DNA的精准配对如同精密的密码锁，而金属离子的介入可能重塑这套密码系统。汞离子(Hg²⁺)因其与胸腺嘧啶(T)的特异性结合能力备受关注，能在DNA双链中形成独特的T-Hg-T金属碱基对。然而，传统研究多在理想化的稀释溶液中进行，与细胞内高度拥挤的真实环境相去甚远——那里充斥着蛋白质、核酸等大分子，水分子状态被彻底改变，可能显著影响金属-核酸相互作用的热力学特性。

日本的研究人员通过系统性实验发现，在模拟体内环境的20% PEG200分子拥挤条件下，Hg²⁺仍能特异性稳定T-T错配双链，但结合机制发生微妙变化。研究采用三组关键技术：UV熔解实验测定热稳定性变化，圆二色谱(CD)分析二级结构特征，等温滴定量热法(ITC)精确量化结合参数。实验使用25碱基对的DNA序列（F25X/R25Y），通过固相氰乙基亚磷酰胺法合成并经HPLC纯化。

UV熔解分析显示，分子拥挤环境中仅T-T错配双链的熔解温度(T_m)被Hg²⁺显著提升，完美匹配及其他错配双链则无此效应，证明特异性结合得以保留。CD光谱证实无论稀释或拥挤条件，Hg²⁺结合均未引起T-T错配双链的显著构象改变。ITC数据揭示关键差异：虽然1:1结合化学计量比不变，但分子拥挤条件下的结合常数(K_a)降至10⁵ M^-1量级，负向焓变(ΔH)绝对值增大而正向熵变(ΔS)减小，最终导致结合自由能(ΔG)绝对值降低。

讨论部分指出，这种热力学参数变化可能源于分子拥挤环境对水合层的影响——拥挤条件下Hg²⁺结合时释放的水分子数量减少，削弱了熵驱动的结合优势。该发现对理解金属离子在真实细胞环境中的核酸调控机制具有重要意义，并为设计基于金属碱基对的核酸纳米器件提供新思路：在开发DNA纳米机器或生物传感器时，需充分考虑实际应用环境与实验室条件的差异。论文创新性地将金属介导碱基对研究拓展至更接近生理条件的分子拥挤体系，填补了该领域知识空白，被发表于《Biophysical Chemistry》期刊。