来源：iNature（ID：Plant_ihuman）
G-四链体 (G4)/血红素 DNAzyme 是生物领域中很有前途的辣根过氧化物酶 (HRP) 模拟候选物。然而，其相对不令人满意的催化能力限制了潜在的应用。
2021年12月8日，重庆医科大学程伟及丁世家共同通讯在Nucleic Acids Research（IF=17）在线 发表题为“Zippered G-quadruplex/hemin DNAzyme: exceptional catalyst for universal bioanalytical applications”的研究论文，该研究受天然蛋白酶的启发，进行了邻近增强辅因子组装策略 (PECA) 以形成特殊的 HRP 模拟物，即带拉链的 G4/hemin DNAzyme (Z-G4/H)。短寡核苷酸的杂交诱导 DNA-grafted的血红素 (DGH) 与互补 G4 序列 (cG4s) 的接近组装，模拟蛋白酶辅因子和脱辅基酶的紧密构型。对催化效率和机理的详细研究证实了 Z-G4/H 比经典的 G4/hemin DNAzymes (C-G4/H)具有更高的活性、更快的催化速率和更高的环境耐受性。此外，基于 PECA 开发了一种接近识别传感器，用于灵敏检测基因重排和对细胞表面的人表皮生长因子受体 2 蛋白 (HER2) 二聚化进行成像。
总之，该研究证明了Z-G4/H 的高效率及其在临床诊断和生物分子相互作用研究中的普遍应用潜力。它还可能为无蛋白酶模拟酶的工程设计提供重要的机会和灵感。
G-四联体 (G4) 是一种经典的核酸结构，具有堆叠的 G-四联体，通过 Hoogsteen 氢键组装。当 G4 与血红素特异性结合时，该复合物模拟了辣根过氧化物酶 (HRP) 的催化特性。在这样的 DNAzymes 复合物中，血红素被放置在 G4 结合口袋中，通过 π-π 堆积与可接近的 G-四联体和周围的核碱基结合在一起。作为一种有前途的辣根过氧化物酶（HRP）模拟候选物，脱氧核糖核酸复合物具有体积小、易于合成和操作、易于通过变构控制进行合理设计的优点，在生物分析和生物医学领域具有广泛的应用潜力等。
尽管 G4/hemin DNAzymes 的优点很突出，但它们相对较差的催化效率仍然是实际应用中的一个重大挑战。根据之前的研究，要复制 HRP 过氧化物酶催化功能，G4/hemin DNAzyme 需要三个主要功能属性：(I) 疏水性氯化血红素结合位点，由 G4 口袋提供；(II)四重排列的鸟嘌呤碱基，作为血红素的近轴配体，与HRP中的组氨酸残基相当；(III) 承担一般酸碱催化功能的远端配体，这是 HRP 中组氨酸的额外基本功能。上述原则指导了提高 DNAzyme 催化能力的努力，尽管这些改进并没有突破催化效率低下的瓶颈。因此，建立一种在复杂环境中实现实际应用的优秀且稳健的 DNAzyme 值得关注。
Z-G4A/H DNAzyme 催化底物酪胺荧光团的示意图，用于灵敏检测乳腺癌细胞表面的 HER2 二聚化（图源自Nucleic Acids Research）
hemin 的活性状态对于 G4/hemin DNAzyme 的活性中心构建和调整至关重要。一些报告表明，通过 π-π 堆积或与寡核苷酸链共价键合将氯化血红素与 G4 结合将使其二聚/寡聚平衡向单体（催化活性）形式转变。显然，血红素的单体状态更有利于催化。此外，G4结构的侧翼或环序列中的核碱基（腺嘌呤（dA）或胞嘧啶（dC））的修饰也可以模拟可调节的组氨酸试剂进行一般酸碱催化并激活过氧化物酶催化中的H2O2质子裂解，实现增强催化性能。
该研究受天然蛋白酶的启发，进行了邻近增强辅因子组装策略 (PECA) 以形成特殊的 HRP 模拟物，即带拉链的 G4/hemin DNAzyme (Z-G4/H)。短寡核苷酸的杂交诱导 DNA-grafted的血红素 (DGH)与互补 G4 序列 (cG4s) 的接近组装，模拟蛋白酶辅因子和脱辅基酶的紧密构型。对催化效率和机理的详细研究证实了 Z-G4/H 比经典的 G4/hemin DNAzymes (C-G4/H) 具有更高的活性、更快的催化速率和更高的环境耐受性。此外，基于 PECA 开发了一种接近识别传感器，用于灵敏检测基因重排和对细胞表面的人表皮生长因子受体 2 蛋白 (HER2) 二聚化进行成像。
总之，该研究证明了Z-G4/H 的高效率及其在临床诊断和生物分子相互作用研究中的普遍应用潜力。它还可能为无蛋白酶模拟酶的工程设计提供重要的机会和灵感。
参考消息：
https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkab1178/6456224
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