近日，国际学术期刊Journal of the American Chemical Society在线发表了华中农业大学动物科学技术学院、动物医学院位灯国教授团队和英国伦敦大学学院（UCL）药学院Shozeb Haider教授合作研究成果，题为“Mechanistic Insights into the Ligand-Induced Unfolding of an RNA G-Quadruplex”。通过计算模拟结合生物化学实验，揭示了卟啉化合物TMPyP4破坏RNA G-四链体结构的机制；为研究G-四链体与配体互作以及靶向RNA G-四链体的去稳定剂设计提供了新思路。
G-四链体是由鸟嘌呤富集序列折叠成的特殊核酸结构，它的形成会影响基因复制、转录以及翻译等过程。加入小分子破坏特定G-四链体的结构，可简单快捷地降低其对生物过程的干扰。然而，目前，破坏G-四链体结构的小分子只是在实验中偶然筛选到的（如，TMPyP4）。我们对小分子破坏其结构的作用机制知之甚少，无法靶向特定G-四链体结构设计专一性的去稳定剂。为开发反向验证G-四链体功能的小分子工具，揭示G-四链体结构去稳定剂作用机制、发展设计方法，显得非常有必要。
图 1 TMPyP4破坏G-四链体结构机制
前期，位灯国教授团队在伪狂犬病毒唯一立即早期基因IE180 3' UTR区域鉴定出一段促进IE180表达和病毒增殖的RNA G-四链体可形成序列，发现TMPyP4破坏该G-四链体结构，并对病毒呈现了明显的抑制效果（RNA Biology，2020）；通过单波长反常散射解析了TMPyP4与RNA G-四链体的两个复合物结构（Nucleic Acids Research, 2020）。
基于复合物结构以及生物物理实验，团队成员猜测小分子与G-四链体的两个复合物结构可能是小分子破坏G-四链体过程中存在的两个状态，便采用增强采样的分子动力学模拟，发现小分子TMPyP4在解开G-四链体结构之前，先与G-四链体结合，经过loop 区的引导，小分子在G-quartet表面（四个鸟嘌呤通过氢键组成的平面）振动，在groove 中滑动，最后促成G-四链体结构的解链。小分子斜插在groove 和G-quartet交界处的构象是促成G-四链体的解开的一个关键状态。
该工作将计算模拟与生化实验分析相结合，揭示小分子改变G-四链体构象的动态转变机制。基于转变的关键状态，有望设计出高选择性的G-四链体去稳定剂。该工作为G-四链体功能研究或者以G-四链体为靶点的抗病毒药物分子设计提供新思路。
英国布里斯托尔大学Susanta Haldar博士和华中农业大学张雅姝博士为论文的第一作者，华中农业大学动科、动医学院位灯国教授和伦敦大学学院药学院Shozeb Haider教授为通讯作者。本研究得到国家自然科学基金、中央高校基本科研经费等项目资助。
【英文摘要】
The cationic porphyrin TMPyP4 is a well-established DNA G-quadruplex （G4） binding ligand that can stabilize different topologies via multiple binding modes. However, TMPyP4 can have both a stabilizing and destabilizing effect on RNA G4 structures. The structural mechanisms that mediate RNA G4 unfolding remain unknown. Here, we report on the TMPyP4-induced RNA G4 unfolding mechanism studied by well-tempered metadynamics （WT-metaD） with supporting biophysical experiments. The simulations predict a two-state mechanism of TMPyP4 interaction via a groove-bound and a top-face-bound conformation. The dynamics of TMPyP4 stacking on the top tetrad disrupts Hoogsteen H-bonds between guanine bases, resulting in the consecutive TMPyP4 intercalation from top-to-bottom G-tetrads. The results reveal a striking correlation between computational and experimental approaches and validate WT-metaD simulations as a powerful tool for studying RNA G4–ligand interactions.
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c11248
