天津大學仰大勇課題組《德國應化》:手性碳量子點模擬拓撲異構酶I調控超螺旋DNA拓撲結構

2021-01-20 高分子科學前沿
近期，天津大學化工學院仰大勇教授課題組在化學領域權威期刊Angewandte Chemie（德國應用化學）上發表關於手性碳量子點模擬拓撲異構酶I調控超螺旋DNA拓撲結構的研究，發現了手性碳量子點模擬拓撲異構酶的作用機制，闡明印證了生命系統中基因轉錄的部分分子機制。天津大學化工學院李鳳副教授和博士研究生李帥為共同第一作者。合作者包括中科院生物物理所高利增研究員，天津醫科大學劉陽平教授、宋玉光副教授和談小莉博士。研究得到國家自然科學基金和科技部重點研發項目的資助支持。
圖1. 研究示意圖：手性碳量子點模擬拓撲異構酶I調控超螺旋DNA拓撲結構。DNA是一種雙螺旋結構的生物大分子，是生命系統的核心遺傳物質，引導生物發育和生命機能運作。DNA的高級結構也稱DNA拓撲結構，是指在DNA雙螺旋的基礎上，進一步扭曲所形成的特定空間結構。超螺旋結構是DNA拓撲結構的主要形式，超螺旋密度由DNA拓撲異構酶來調節和控制。DNA拓撲異構酶可通過催化DNA鏈的斷裂和結合，從而控制DNA的拓撲結構，對於DNA複製轉錄等生命活動具有重要調控作用。其中，拓撲異構酶I可催化DNA雙螺旋結構中單條DNA鏈的瞬時斷裂和連接，且不需要能量輔因子如ATP或NAD。仰大勇教授課題組發現以手性半胱氨酸為碳源合成的手性碳量子可模擬拓撲異構酶I實現DNA拓撲結構的調控，且調控作用表現出手性依賴的差異性：D-碳量子點（D-CDs）可有效地將超螺旋質粒DNA轉變為具有缺口開環構象，L-碳量子點（L-CDs）催化的轉化率則遠低於D-碳量子點。機理研究發現手性碳量子可以嵌插入DNA雙螺旋結構的鹼基對之間，並有效催化活性氧的生成，從而造成單鏈DNA磷酸骨架的氧化斷裂，DNA由超螺旋構象轉變為開環構象。分子動力學模擬進一步證明，相對於L-半胱氨酸，D-半胱氨酸與DNA之間可以形成更多的氫鍵和更低的結合自由能，D-CDs相對L-CDs與DNA具有更強的結合力，從而表現出更高的催化活性和調控作用。考慮到DNA的拓撲結構對其功能具有重要影響，作者在無細胞蛋白表達體系中，以可表達綠色螢光蛋白的質粒DNA（p-eGFP）為模型，研究了手性碳量子點處理後的超螺旋質粒DNA的蛋白表達功能。研究發現手性碳量子點處理後質粒仍可進行正常的綠色螢光蛋白表達，且蛋白產量和表達速率較對照組具有一定程度的升高。這一發現說明質粒DNA雙螺旋的缺口對其轉錄過程幾乎沒有影響。在轉錄過程中，DNA雙鏈在RNA聚合酶內部解旋，合成RNA後，RNA聚合酶沿著DNA雙鏈往前移動，移出RNA聚合酶的DNA重新結合成雙鏈結構，因此在整個轉錄過程中，DNA仍然保持完整的雙鏈結構，而不會因為缺口的存在使其在轉錄過程中斷裂。此外，作者推測由於缺口兩側的DNA可以自由旋轉，不會在DNA轉錄過程中形成超螺旋，因此更加有利於轉錄過程的進行。本研究揭示了碳量子的手性特徵對其生物催化性能的影響，利用碳量子點對DNA構象的調控探索了DNA構象對其基因功能的影響和機理，對理解DNA構象關係和轉錄等生命過程具有重要啟示，在基因編輯和蛋白質工程領域具有應用潛力。https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202002904仰大勇 博士，天津大學化工學院教授、院長助理，入選國家級海外人才計劃和獲得國家優青資助。現任天津大學校學術委員會委員、中國生物醫學工程學會納米醫學與工程分會委員。課題組研究方向是材料化學與生物醫學的交叉領域，聚焦DNA合成與智能製造，利用材料化學的手段理解生命系統運行機制，探索重大疾病的診斷治療新途徑。

來源：高分子科學前沿

聲明：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！

---納米纖維素找北方世紀---

---粘度計/流變儀找中昊清遠---

微信加群：

「高分子科學前沿」匯集了20萬高分子領域的專家學者、研究/研發人員。我們組建了80餘個綜合交流群（包括：教師群、企業高管群、碩士博士群、北美、歐洲等），專業交流群（塑料、橡塑彈性體、纖維、塗層黏合劑、油墨、凝膠、生物醫用高分子、高分子合成、膜材料、石墨烯、納米材料、表徵技術、車用高分子、發泡、聚醯亞胺、抗菌、仿生、腫瘤治療）。

添加主編為好友（微信號：polymer-xiang，請備註：名字-單位-職稱-研究方向）或長按二維碼添加小編為好友，邀請入群。

添加 小編  微信（務必備註：名字-單位-職稱-研究方向）

邀請您入討論群

（ 微信二維碼  掃碼添加）


我們的微博：高分子科學前沿，歡迎和我們互動。

我們的QQ交流群：451749996（務必備註：名字-單位-研究方向）

投稿 薦稿 合作：editor@polysci.cn

相關焦點

  • 近期熱點 | 美學透明木材,DNA動態組裝,高性能碳基超級電容器
    近日，河北農業大學肖志昌教授課題組報導了一種聚吡咯納米管衍生的氮/磷共摻雜碳納米管（簡寫為Px-ppyNT）模型體系，分析並闡釋了其在提高碳基超級電容器中孔道結構和雜原子利用效率的研究方法和思路。相比於傳統碳基超級電容器中人們所片面追求的高比表面積，該團隊發現設計高電化學表面積（ECSA）具有更重要的意義。
  • 天津大學仰大勇教授課題組JACS:納米界面上的基因線路區室化促進...
    近期，天津大學化工學院仰大勇教授課題組通過在金納米顆粒上共同錨定兩段在功能上具有關聯性的基因，構建了納米界面上的基因線路區室化結構，並利用無細胞基因表達系統研究了基因線路區室化對級聯基因表達的影響。本研究中，模型基因線路由調控蛋白T7 RNA聚合酶基因和報告蛋白增強型綠色螢光蛋白基因組成。採用聚合酶鏈式反應（PCR）在兩種基因的一端各組裝了一個帶有兩個巰基修飾的枝狀支架，並通過金硫鍵將兩種基因共同錨定在金納米顆粒表面，在納米界面上構建了的基因線路區室化結構。
  • 科研人員實現三維手性拓撲絕緣體的量子模擬
    最近，北京大學量子材料科學中心劉雄軍組和中國科學技術大學杜江峰及王亞組利用量子淬火動力學模擬了凝聚態體系中難以實現的三維手性拓撲絕緣體，並第一次對體內和表面的拓撲物理進行了全面的量子模擬研究。諸多拓撲物理在各種量子模擬器上成功實現，比如在超冷原子中，這包括ETH組實現的二維Haldane模型[Nature 515, 237 (2014)]、北大劉雄軍組和中國科大組實現的自旋軌道耦合下的量子反常霍爾效應最小模型[Science 354, 83(2016)]、北大劉雄軍組和香港科大組實現的一維手性拓撲相[Sci.
  • 生物物理所解析DNA拓撲異構酶核心結構揭示DNA穿鏈新機製成果入選...
    此前，對於DNA鏈如何穿越到達待校正DNA這一基本的拓撲結構功能的動態過程的了解處於空白狀態。該項研究結果解析DNA拓撲異構酶核心結構，揭示DNA穿鏈新機制，具有重要的基礎理論意義。同時，由於Gyrase B』對病原菌的生存至關重要，其精細結構對提供研發廣譜的相關藥物，特別是抗生素的靶標，具有應用前景。
  • 化工學院仰大勇團隊:通過DNA動態組裝在細胞內構建類細胞器結構
    本站訊 近期，天津大學化工學院仰大勇教授課題組在化學領域權威期刊Angewandte Chemie（德國應用化學）上發表通過DNA動態組裝在細胞內構建類細胞器結構並調控細胞行為的研究。天津大學化工學院郭小翠博士和李鳳副教授為共同第一作者。相關成果已申請中國發明專利。研究得到國家自然科學基金等的資助支持。
  • Science: 調控拓撲絕緣體磁疇壁手性邊界態
    拓撲絕緣體，顧名思義是絕緣的，有趣的是在它的邊界或表面總是存在導電的邊緣態，這是拓撲絕緣體的獨特性質。近期，理論預測存在的拓撲絕緣體在實驗上被證實存在於二維與三維材料中，引起了科研界的大量關注。通常二維電子氣體系中存在著量子霍爾效應，實驗中觀測到了手性邊界態存在於材料的邊界。在三維體材料的拓撲絕緣體中實驗上可觀測到反常量子霍爾效應。 　　K.
  • 物理學院廖志敏課題組在拓撲量子輸運方向取得系列進展
    近期，北京大學物理學院廖志敏課題組在低維拓撲材料電子輸運與器件效應研究的前沿領域取得了系列重要進展。廖志敏課題組率先實驗發現了狄拉克半金屬Cd3As2中外爾費米子手性反常導致的負磁電阻效應【Nature Commun.
  • 迄今最好的拓撲導體:螺旋樓梯結構的薄晶體
    拓撲導體實驗數據圖2現在，在伯克利實驗室工作的一組研究人員發現了最強的拓撲導體，其形式為具有螺旋樓梯結構的薄晶體樣品，由於這種晶體樣品基於水晶，因此稱為拓撲手性晶體。拓撲導體實驗數據圖3作為最新研究焦點的水晶樣本中的DNA樣螺旋結構表現出手性或「手性」，「手性」的說法源自人的左右手，因為一個人可以是左撇子或右撇子，左手是右手的鏡像，某些情況下的手性特性可以翻轉，就像左撇子成為慣用右手的人一樣
  • 我首次模擬出尚未觀測到的三維手性拓撲絕緣體
    記者從中國科學技術大學獲悉，該校杜江峰、王亞等人與理論合作者北京大學劉雄軍等合作，利用量子淬火動力學在實驗上模擬了凝聚態體系中尚未觀測到的三維手性拓撲絕緣體，並第一次對體內和表面的拓撲物理進行了全面的實驗研究。該研究成果日前發表在近期的《物理評論快報》上。
  • 天津大學仰大勇課題組JACS:DNA水凝膠網絡實現幹細胞特異性高效捕獲
    本站訊（通訊員 李莎）近期，天津大學化工學院仰大勇課題組在Journal of the American Chemical Society上發表關於DNA水凝膠網絡捕獲幹細胞的研究。天津大學化工學院姚池博士和碩士研究生唐涵為共同第一作者。研究得到國家自然科學基金的資助支持。相關成果已申請中國發明專利。
  • 原位電鏡技術實現極性拓撲相變的原子尺度表徵與調控
    實際器件操作大多是基於外場對結構單元極化態和拓撲相變的調控，研究單個鐵電疇結構的極化分布以及外場操控下拓撲相變動力學過程是器件應用的基礎。然而，極性拓撲結構的形成是體系中靜電能、彈性能和梯度能之間在微小差別內相互競爭平衡的結果，如何實現局域外場對微區結構的精確調控以及相變過程的精細表徵是一個非常大的挑戰。
  • Science: 低溫強磁場磁力顯微鏡—調控拓撲絕緣體磁疇壁手性邊界態
    在三維體材料的拓撲絕緣體中實驗上可觀測到反常量子霍爾效應。K. Yasuda, Y. Tokura等人利用德國attocube公司的低溫強磁場磁力顯微鏡attoMFM在0.5K溫度與0.015T磁場環境下，證實了拓撲絕緣體磁疇壁的手性邊界態的可調控性能，不同於之前實驗上觀測到的拓撲絕緣體中自然形成隨機分布的磁疇中的手性邊界態。Y.
  • Cell:從拓撲學角度揭示DNA複製之謎
    但是，DNA雙螺旋中那兩條熟悉的鏈是如何在沒有纏繞的情況下成功複製的，這就很難解釋了。在一項新的研究中，來自美國康奈爾大學的研究人員從拓撲學角度解決了這個問題。他們研究了這種雙螺旋形狀對DNA複製的影響。通過使用真核生物作為模型系統，他們發現染色質（由DNA、組蛋白和非組蛋白等成分組成）的內在機械性能決定著染色質纖維如何纏繞。
  • JMC|義大利-美國聯合團隊虛擬篩選發現全新廣譜抗菌拓撲異構酶抑制劑
    在所有經過臨床驗證的靶標中，細菌IIA型拓撲異構酶家族的DNA促旋酶和拓撲異構酶IV引起了科研界極大的關注。氟喹諾酮類藥物經充分驗證且作為治療細菌感染的一線藥物已有50多年歷史，但最近累積的突變使細菌對這類療法產生了耐藥性。
  • Nature:拓撲異構酶的抑制機制
    一個DNA鏈運動的酶（如DNA和RNA聚合酶）在它們運動之前往往會引起超螺旋的積累。如果不加阻止，這種積累會使DNA發生過度纏繞，就像擰在一起的一個橡皮筋一樣。拓撲異構酶通過首先解理、然後降解DNA來緩解這種壓力。
  • 分子拓撲學研究獲突破性進展
    「這項研究最大的創新點是：我們首次利用單一分子股線，通過模擬分子伴侶蛋白誘導蛋白摺疊的過程，實現了三種不同分子拓撲結構的構築，完全區別於該領域以前報導的一種合成方法對應一種拓撲結構的策略，大大拓展了分子拓撲學在未來研究拓撲類蛋白功能及構象關係的潛力。」
  • 哈工大(深圳): 鐵性薄膜和異質結拓撲結構的研究進展
    文章的共同第一作者為陳祖煌教授課題組內博士生陳善全、博士後袁帥和華南師範大學侯志鵬，哈工大(深圳)為第一完成單位和通訊單位。文章系統綜述了近十年來鐵性薄膜和異質結拓撲結構的研究進展，包括磁性/極性拓撲結構（如疇壁、麥紉、斯格明子等）的觀測以及通過外延應變、原子層厚、電場、磁場等控制其結構演變和隨之湧現的物理現象。
  • 進展|本徵磁性拓撲絕緣體研究進展
    磁性拓撲絕緣體可以表現出一系列新奇的物理性質，例如量子反常霍爾效應、手性馬約拉納費米子、軸子絕緣體等等。然而，磁性離子的引入會導致樣品組分的不均勻，需要精確調控生長條件，才能在極低溫觀測到量子反常霍爾效應。具有本徵磁性的拓撲絕緣體不需要摻雜就能形成磁有序，很大程度上減少了樣品的不均勻，有利於在相對較高的溫度表現出有趣的拓撲量子現象。
  • 哈工大Adv.Mater:鐵性薄膜和異質結拓撲結構的研究進展
    文章的共同第一作者為陳祖煌教授課題組內博士生陳善全、博士後袁帥和華南師範大學侯志鵬，哈工大(深圳)為第一完成單位和通訊單位。 文章系統綜述了近十年來鐵性薄膜和異質結拓撲結構的研究進展，包括磁性/極性拓撲結構（如疇壁、麥紉、斯格明子等）的觀測以及通過外延應變、原子層厚、電場、磁場等控制其結構演變和隨之湧現的物理現象。
  • 在光學拓撲超晶格結構實現拓撲荷大小為2的三維狄拉克點
    其中被稱為charge-2狄拉克點(CDPs)的四重能帶簡併點近來在某些凝聚態物質系統中被發現。由於傳統的三維狄拉克點是由一對手性相反的外爾點重疊而成，其淨拓撲荷數為零，因而不能引起拓撲保護的表面態。然而，與傳統的三維狄拉克點不同，CDPs具有非零淨拓撲電荷的特徵（拓撲荷數為±2 ），可以導致全新的拓撲表面態。