菁染料与G-四链体及G-四链体-双链体连接结构的特异性相互作用机制及结构解析

本研究针对G-四链体(G4)及其与双链体连接结构(QDJ)的分子探针开发难题，通过光谱学、核磁共振(NMR)和分子对接技术，揭示了亲水性差异的菁染料R9与3b与不同DNA结构的特异性结合模式。研究发现极性染料R9优先结合双链区域，而疏水性染料3b通过π-π堆积选择性识别平行G4结构，为核酸结构检测提供了新型分子工具。

　　

在生命科学领域，DNA的复杂结构一直是研究热点。除了经典的双螺旋结构，G-四链体(G-quadruplex, G4)这种由富含鸟嘌呤序列形成的非经典结构，因其在端粒保护和癌基因启动子调控中的重要作用而备受关注。然而，G4与双链体连接区域(QDJ)的特异性识别工具匮乏，制约了相关研究的深入。

保加利亚科学院聚合物研究所功能与纳米结构聚合物实验室的研究团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表重要成果。他们系统比较了两种电荷特性迥异的菁染料R9（双极性）与3b（疏水性）与五种DNA结构的相互作用，包括平行/反平行G4、双链体及其杂合结构。通过紫外-可见吸收光谱、圆二色谱(CD)、变温实验、核磁共振(NMR)和分子对接等多技术联用，揭示了染料-核酸相互作用的分子机制。

关键技术包括：1）分子光谱学监测染料聚集态变化；2）CD谱解析DNA构象转变；3）NMR氢谱定位结合位点；4）基于AutoDock Vina的分子对接模拟；5）多变量曲线分辨(MCR-ALS)解析复合物组分。

【染料聚集行为研究】

理论计算与光谱实验证实：疏水性染料3b在水溶液中易形成H-二聚体（ΔG=-4.5 kcal/mol），而极性染料R9单体更稳定（ΔG=-1.2 kcal/mol）。这种差异直接影响其与DNA的相互作用模式。

【光谱相互作用特征】

吸收光谱显示R9与双链结构结合时产生12 nm红移，而3b在平行G4表面形成特征性聚集态。CD谱中3b在500 nm处出现双信号激子耦合峰，表明其在G4末端的头-尾定向排列。

【结构稳定性影响】

变温CD实验表明：3b使QDJ1的Tm值从58.2°C显著提升至72.5°C（ΔΔG₃₇=-2.5 kcal/mol），而R9对双链结构的稳定作用更显著。

【原子级结合机制】

NMR与分子对接揭示：R9通过吡啶鎓环与G11形成静电作用，酰胺基团与G16氢键结合；3b则通过苯并噻唑环与末端G-四分体π-π堆积。在QDJ1中，两者均特异性结合于G4-双链体连接处，但3b结合后出现新的慢交换NMR信号。

【荧光选择性】

R9在双链结构存在时荧光增强2.3倍，而3b对平行G4结构(Pu22T14T23)表现出特异性响应，这与CD观测到的刚性平面堆积效应一致。

该研究首次阐明菁染料电荷特性与DNA结构选择性的构效关系：极性染料R9适合检测含双链区域的结构，而疏水性3b是平行G4的理想探针。这不仅为核酸结构检测提供新工具，更通过NMR与计算模拟揭示了G4-duplex junction这一独特靶点的识别机制。研究提出的"染料聚集态-荧光响应"关联模型，为开发下一代核酸探针提供了重要设计原则。这些发现对癌症相关基因调控研究和核酸纳米技术发展具有双重意义。