Colorimetric recognition of the coralyne-poly(dA) interaction using unmodified gold nanoparticle probes, and further detection of coralyne based upon this recognition system

Among the functional nucleic acids studied, adenine-rich nucleic acids have attracted attention due to their critical roles in many biological processes and self-assembly-based nanomaterials, especially deoxyribonucleic acids (abbreviated as poly(dA)). Therefore the ligands binding to poly(dA) might serve as potential therapeutic agents. Coralyne, a kind of planar alkaloid, has been firstly found that it could bind strongly to poly(dA). This work herein reports an approach for visual sensing of the coralyne-poly(dA) interaction. This method was based on the coralyne inducing poly(dA) into the homo-adenine DNA duplex and the difference in electrostatic affinity between single-stranded DNA and double-stranded DNA with gold nanoparticles (GNPs). Furthermore, we applied the recognition process of the interaction between coralyne and poly(dA) into specific coralyne detection with the assistance of certain software (such as Photoshop). A linear response from 0 to 728 nM was obtained for coralyne, and a detection limit of 91 nM was achieved.

基于核酸特殊结构的分子识别及核酸相关纳米结构的设计应用

核酸为生命的最基本物质之一，是生物体遗传信息的携带者，在生长、遗传、变异等一系列重大生命现象中起决定性的作用。以核酸作为新药设计的靶分子，越来越受到人们的广泛重视。然而，不像其它靶分子如蛋白质、受体等具有特定的结构和功能，核酸结构在很多情况下是同源的，而且联系到很多人体正常的生理功能；能够与核酸结合的药物又往往不具有序列选择性，这就带来明显的毒副作用。因此，寻找和发现一些与疾病相关的核酸的特殊结构，并筛选对其有特异性结合能力的小分子，是以核酸为靶的药物研究的一个重要课题。 近年来，随着纳米科学技术的兴起，以核酸作为纳米体系的结构材料开始受到人们的广泛关注。作为一类特殊的线性高分子，核酸具有化学性质稳定，结构丰富且可控，良好的刚性和柔性，精确识别，高度生物相容性，合成方便等诸多优点，是一类优良的结构材料。目前核酸相关的纳米组装结构和器件研究还处于起步阶段，但是已经呈现出良好的发展前景。 本论文主要针对核酸特殊结构的分子识别及核酸相关功能纳米结构的设计这两方面展开了研究，全文由以下两大部分组成： 第一部分通过光谱学和生物化学等手段，研究了小分子对不同核酸结构的识别作用。借助于竞争平衡透析技术，发现一类恶嗪染料(oxazine dyes)能够与多种结构核酸结合。热变性及光谱实验结果表明，oxazine染料能够诱导杂合体三链核酸poly(rA):2poly(dT)的形成，并强烈地稳定其结构，其中以cresyl violet作用最强，是迄今发现的化合物中最强的。进一步研究发现，此类化合物以嵌插方式与杂合体三链核酸结合。RNase H酶切实验表明，杂合体三链核酸的形成能够强烈地抑制RNase H核酸酶的活性。研究了oxazine-170与三链核酸poly(dA):2poly(dT)及poly(rA):2poly(rU)的相互作用，发现oxazine-170能够强烈稳定三链DNA poly(dA):2poly(dT)的结构，而对相应双链DNA不具稳定作用；对三链RNA poly(rA):2poly(rU)及相应的双链RNA都有一定稳定作用，但作用不强。进一步研究发现，oxazine-170能够以两种结合方式与核酸结合：嵌插方式和外部静电堆积作用。研究了oxazine-170及cresyl violet与单链核酸的相互作用。研究发现oxazine-170能够序列特异性地与单链核酸poly(rA) 结合，CD光谱及AFM研究发现oxazine-170诱导poly(rA)形成新的二级结构。UV光谱、FL光谱及RLS研究发现poly(rA)促使oxazine 170形成H-aggregate，并以poly(rA)为模板自组装。而cresyl violet能够与单链核酸poly(rA)及poly(dA)结合，且采用不同的结合方式： cresyl violet能够与oxazine-170 类似地以poly(rA)为模板自组装；以嵌插方式与poly(dA)结合，并诱导其单链碱基堆积方式的改变。通过以上实验结果，我们进一步揭示了oxazine染料作为肿瘤细胞染色及光动力学治疗试剂的结构基础，对进一步设计、合成更加高效的抗肿瘤药物具有一定的指导意义。 第二部分中，我们尝试设计了几种基于核酸的纳米结构功能体系，并讨论了其相关应用。利用有机小分子coralyne能够诱导聚腺嘌呤序列反平行双链结构的形成，实现了一类新型的小分子诱导的纳米金组装结构。并以(dA)16功能化的金纳米粒子作为新型纳米探针，发展了一种简单的筛选单链核酸聚腺嘌呤序列结合分子的筛选方法。利用核酸限制性内切酶酶切位点回文序列的结构特点，设计了一种以DNA功能化的金纳米粒子组装体为酶切底物的比较通用的核酸限制性内切酶活力检测方法，并进一步用于甲基化酶活性检测及其抑制剂的筛选。基于单链DNA富胞嘧啶i-motif结构在不同pH值条件下的形成与解离，设计了一类质子驱动的DNA分子镊子，与基于链交换反应的DNA分子镊子相比，该体系更加简单，工作效率更高。随后，我们又通过合理设计，得到了两种分别能够结合与释放DNA和蛋白的分子镊子，为其应用做了一些探索。

Small-molecule-directed assembly: A gold nanoparticle-based strategy for screening of homo-adenine DNA duplex binders

By using AuNP-modified homo-adenine DNA conjugate as a model system, simple colorimetric and resonance Rayleigh scattering assays have been developed for screening small molecules that trigger the formation of the non-Watson-Crick homo-adenine duplexes. The assay presented here is more simplified in format as it involves only one type of ssDNA modified Au-NP, and can be easily adapted to high-throughput screening.

Spectral and electrochemical detection of protonated triplex formation by a small-molecule anticancer agent

Triplex helical formation has been the focus of considerable interest because of possible applications in developing new molecular biology tools as well as therapeutic agents and the possible relevance of H-DNA structures in biology system. We report here that a small-molecule anticancer agent, coralyne, has binding preference to the less stable protonated triplex d(C+-T)(6):d(A-G)(6).d(C-T)(6) over duplex d(A-G)(6).d(C-T)(6) and shows different spectral and electrochemical characteristics when binding to triplex and duplex DNA, indicating that electrochemical technique can detect the less stable protonated triplex formation.