5-氟尿嘧啶与嘧啶碱基及菲咯啉衍生物的金属介导碱基配对研究：DNA双链稳定性的新视角

本研究系统评估了5-氟尿嘧啶(F)与胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)及人工碱基菲咯啉(P)在Hg(II)和Ag(I)介导下形成异源金属碱基对的能力，揭示了碱基取向、序列环境与金属离子类型的协同作用对DNA双链稳定性的调控规律，为设计功能性金属DNA纳米材料提供了新策略。

　　

在生命科学的前沿领域，DNA的金属介导碱基配对(Metal-mediated base pairs)正引发越来越广泛的关注。传统DNA双链依靠氢键维持碱基配对，而这一新兴领域通过金属离子的配位键彻底改写了碱基配对规则。德国明斯特大学的Florian Mai和Jens Müller团队在《Journal of Inorganic Biochemistry》发表的研究，系统探索了抗癌药物5-氟尿嘧啶(5-fluorouracil, F)与天然嘧啶碱基及人工合成配体间的金属介导配对行为，为精准设计金属DNA功能材料提供了重要理论依据。

当前该领域面临的关键挑战在于：异源金属碱基对的形成规律尚不明确，特别是当天然碱基与人工碱基组合时，其稳定性是否遵循"中间值法则"？金属离子选择性如何受碱基取向影响？这些问题直接关系到金属DNA在纳米技术、分子开关等应用中的可靠性。研究团队创造性地采用"对称-不对称"对比策略，以经典T-Hg(II)-T和C-Ag(I)-C同源碱基对为参照系，首次全面解析了F与T/C/P三类配体的异源配对特性。

研究人员主要运用了以下关键技术：1)固相DNA合成技术制备含F、P等修饰碱基的寡核苷酸；2)变温紫外光谱测定熔解温度(T_m)量化双链稳定性；3)圆二色谱(CD)监测金属配位引起的构象变化；4)高分辨质谱验证合成产物。通过设计16种双链组合，在pH 5.5-9.0范围内进行96组Hg(II)/Ag(I)滴定实验，构建了迄今为止最完整的氟尿嘧啶金属碱基对数据库。

异源碱基对F与T的配对特性

研究发现F-T组合展现出"中庸之道"：F-Hg(II)-T的ΔT_m值(7.5-11.7°C)恰处F-F(10.2-11.6°C)和T-T(9.6-12.0°C)之间，印证了汞配位能力的普适性。有趣的是，过量Hg(II)会导致双链 destabilization，暗示可能形成链内T-Hg(II)-T交联。CD谱显示，金属配位使260nm处正Cotton效应强度降低，反映了螺旋结构的微妙调整。

F与C配对的金属选择性

这一组合揭示了"金属决定论"现象：Ag(I)介导时，F-Ag(I)-C的稳定性(ΔT_m最高达14.7°C)远超C-C体系，表明F主导配位过程；而Hg(II)存在时，C的"抗汞"特性使F-Hg(II)-C难以稳定。特别值得注意的是，F-C与C-F的取向显著影响Hg(II)响应，这种方向依赖性在天然碱基配对中极为罕见。

F与P组合的尺寸效应

当F与体积庞大的菲咯啉衍生物(P)配对时，产生了最戏剧性的"序列密码"效应：F-P序列对Ag(I)表现出惊人响应(ΔT_m达19.9°C)，而P-F序列则对Hg(II)响应最佳(ΔT_m达18.1°C)。CD谱中290nm处新生的负Cotton效应，证实了四面体扭曲的金属中心产生的手性光学活性。这种"大-小"碱基组合的取向依赖性，为设计金属响应型分子开关提供了新思路。

研究结论深刻揭示了金属介导碱基对的三大规律：首先，异源碱基对的稳定性并非简单取均值，而是受优势配体主导；其次，碱基尺寸差异会引发显著的序列方向效应；最后，pH通过调控N3质子化状态间接影响Ag(I)配位效率。这些发现不仅完善了核酸金属化学的理论框架，更对发展DNA纳米机器、重金属传感器等应用具有重要指导价值。

该研究的创新性在于建立了首个氟尿嘧啶金属碱基对的系统评价体系，特别是发现了P-F/Hg(II)这一迄今报道最稳定的异源金属碱基对组合。未来研究可进一步通过X射线晶体学解析这些特殊配对的三维结构，并探索其在核酸适体(Aptamer)定向进化中的应用潜力。正如作者指出，这项工作的真正价值在于"为定制金属DNA序列设计提供了分子蓝图"，开辟了生物无机化学与合成生物学交叉的新赛道。