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我校揭示卟啉类化合物破坏猪伪狂犬病毒G-四链体结构的新机制

核心提示: 近日,我校动物科学技术学院、动物医学院位灯国教授课题组与伦敦大学学院(UCL)药学院Shozeb Haider教授合作,揭示卟啉类化合物破坏猪伪狂犬病毒G-四链体结构的新机制,为靶向RNA G-四链体的去稳定剂设计提供了新思路。

南湖新闻网讯(通讯员 谢从宝)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

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

审核:位灯国

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关键词: 链体 小分子 tmpyp
责任编辑:匡敏