Angew. Chem. ：从茶碱到腺嘌呤或preQ₁：基于晶体结构分析的 DNA 适配体再利用

130多年前，德国生物学家阿尔布雷希特·科塞尔首次从茶叶中提取茶碱。其后，茶碱作为一种支气管扩张剂，能扩张支气管平滑肌、降低气道反应性并具有抗炎作用，在临床上用于治疗慢性阻塞性肺疾病、哮喘和婴儿呼吸暂停等呼吸系统疾病。然而，其治疗浓度窗口较窄，需严格监测浓度，以免高浓度引发严重不良反应。茶碱特异性适体（如短单链DNA或RNA）以高特异性、低成本及低免疫原性的优势，可作为茶碱的生物传感器用于浓度检测。特异性识别茶碱的RNA适体的结合机制已被阐明，DNA适体的配体识别机制仍不明。

核酸适体多通过指数富集的配体系统进化（SELEX）筛选获得，但其实验周期长、操作复杂且特异性难以保证，成本效益限制了其大规模应用。近年来，多个研究小组成功利用天然核糖体开关或核酶作为支架，筛选有效新适体，但仍未完全克服传统SELEX实验的局限。

近日，中山大学孙逸仙纪念医院黄林团队、黄健团队与广州实验室苗智超课题组、中山大学药学院陈硕斌课题组合作，解析了茶碱DNA适体与茶碱、3-甲基黄嘌呤和次黄嘌呤相互作用的晶体结构，阐释了其配体识别机制，并以茶碱DNA适体为骨架，通过配体结合口袋特定碱基的靶向突变，开发了preQ₁和腺嘌呤DNA适体。

茶碱DNA适体整体上呈现茎环结构，包含两个茎（P1、P2）和一个配体结合口袋区，表面视图展示单一的半封闭的配体结合口袋结构。配体结合口袋区为核心结构区，由两个连接区J1/2和J2/1组成，可分成四层三碱基相互作用，其中第三层为小分子相互作用层，17和22位碱基（A17、T22）与茶碱、3-甲基黄嘌呤和次黄嘌呤形成氢键相互作用。

基于配体识别机制，该研究假定与配体相互作用的碱基（A17和T22）的定向突变在保留整体结构拓扑结构的同时，可以形成特异性识别茶碱类似物的新适体。通过计算模拟评估了总计15种突变类型与15种茶碱类似物的结合亲和力发现，突变体DNA-C-T和DNA-T-T分别能特异性识别preQ₁和腺嘌呤，等温滴定量热法（ITC）证明了其特异性。

该研究同时也解析了DNA-T-T结合腺嘌呤的晶体结构进一步验证了其特异性，其分子结合口袋区呈现与茶碱DNA适体类似的结构特征。

该研究提出的基于结构的理性设计策略，结合了晶体结构生物学、生化实验和计算模拟，可作为SELEX方法开发新适体的有效补充。该方法适用于其他适体或核糖开关，如改造茶碱RNA适体、腺嘌呤和鸟嘌呤核糖开关靶向新化合物。该工作展示了结构引导的快速开发用于诊断或治疗的新适体方面的潜力。

论文信息

From Theophylline to Adenine or preQ₁: Repurposing a DNA Aptamer Revealed by Crystal Structure Analysis

Xiaowei Lin, Yuanyin Huang, Jinchao Huang, Hao Yuan, Yuhang Luo, Zhizhong Lu, Ying Ao, Jian Huang, Shuo-Bin Chen, Zhichao Miao, Lin Huang

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202504107