ChemBioChem:胞嘧啶核苷和尿嘧啶核苷DNA适体的筛选与表征

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胞苷和尿苷是RNA中的两种嘧啶核糖核苷。同时,这两种嘧啶也是重要的生物分子。例如,它们作为第二信使,介导细菌免疫,影响神经发育,也被用作抗癌剂和抗抑郁药物。在人体内,胞苷很快被胞苷脱氨酶转化为尿苷,而尿苷是嘧啶代谢的关键中间体。因此,检测这些核苷具有重要的生物学意义。研究人员已经开发出多种检测嘧啶的方法,例如超分子受体的设计、HPLC-MS以及电化学检测。


作为单链核酸,适配体非常适合检测小分子代谢物。有趣的是,嘌呤适配体比嘧啶适配体更为普遍。一些最早的适配体是针对腺苷和ATP的,且对这些适配体的研究一直经久不衰。在已发现的核糖开关(riboswitches)中,没有一个能识别嘧啶,但有相当多的核糖开关可以与腺嘌呤、鸟嘌呤、黄嘌呤和一些嘌呤二核苷酸结合。为了获得嘧啶适配体,研究人员进行了一些尝试。例如,Nutiu和Li将CTP和UTP与ATP和GTP一起筛选,但CTP和UTP未能筛选到适配体。唯一成功的筛选是用一些修饰的嘧啶,如4’-thioUTP和4’-thioCTP。


嘧啶适配体缺乏报道的部分原因可能与适配体筛选所使用的靶标固定化方法有关,在不影响其结合的情况下固定较小的嘧啶比较困难。随着DNA文库固定化方法的发展,适配体的筛选变得更加容易。为了成功获得胞苷和尿苷的特异性适配体,滑铁卢大学刘珏文教授和厦门大学王德利教授课题组合作,以胞苷和尿苷为研究对象,通过Capture-SELEX方法筛选获得了特异性结合的嘧啶适配体。


为了了解哪一个是更好的目标,作者首先以胞苷和尿苷混合物作为目标进行筛选。结果如图1A所示,在Top 8序列中,有4个family,通过核黄素T(ThT)荧光实验发现(图1B),Cyt1序列对胞苷具有特异性识别能力,而C/U1序列对胞苷和尿苷都能识别。随后作者通过等温滴定量热法(ITC)验证了两类适配体对不同嘧啶的结合能力,结果如图1C-E所示,Cyt1适配体对胞苷的Kd值为0.9 μM,而C/U1适配体对胞苷和尿苷的Kd值分别为 5.7 μM和 46 μM。随后作者进行了选择性验证,证实了Cyt1对胞苷具有强选择性,而C/U1适配体具有胞苷和尿苷双选择性(图1F)。该结果证明了混合筛选是以胞苷为主导的,同时也证明了胞苷更适用于适配体筛选。



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图1. (A)混合筛选所得Top 8适配体序列;(B)ThT荧光实验;胞苷滴定Cyt1(C)和C/U1适配体(D);尿苷滴定C/U1适配体(E);(F)Cyt1和C/U1适配体选择性验证

由于混合筛选以胞苷为主,因此作者继续以尿苷为单独靶标进行了筛选。最终成功富集到了高占比的序列(Uri1,图2A),且该适配体序列不同于混合筛选所得到的C/U1适配体,其对尿苷具有较高的选择性(图2B)。ITC滴定结果显示Uri1适配体对尿苷的Kd值为102 μM (图2C)。最后,作者通过多分子结构对比分析,预测了Cyt1和Uri1适配体与胞苷和尿苷分子之间的结合区域(图2D)。此外,上述所得适配体与靶标分子的结合均不严格依赖于金属离子,这是首次报道的高质量嘧啶核糖核苷适配体,它们可用于生物传感、成像和DNA纳米技术应用。

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图2. (A)单独筛选所得Top 5适配体序列;(B)Uri1适配体选择性验证;(C)尿苷滴定Uri1适配体;(D)适配体可能的结合区域

文信息

Selection and Characterization of DNA Aptamers for Cytidine and Uridine

Lide Gu, Jiajie Zheng, Yao Zhang, Deli Wang, Juewen Liu*


ChemBioChem

DOI: 10.1002/cbic.202300656

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