ChemBioChem：氨基酸与脱氧核糖核苷酸之间的相互作用原理

以蛋白质-核酸为代表的生物大分子间的相互作用在生命活动中具有重要的调控作用，参与细胞遗传信息复制与传递、细胞的新陈代谢、物质运输和信号转导等生物学过程。在蛋白质-核酸相互作用中，氨基酸和核苷酸的结合方式和特征是相关分子机制的重要内容，研究氨基酸与脱氧核糖核苷酸之间的相互作用是认识蛋白质-脱氧核糖核酸（DNA）相互识别本质的基础。在蛋白质-核酸相互作用研究中，传统的实验手段在具有较高精确度的同时，也存在实验技术相对复杂、周期长、成本较高等局限性。

为了认识氨基酸和脱氧核糖核苷酸之间相互作用原理的分子机制，探索蛋白质-DNA相互识别规律和本质，国家纳米科学中心研究人员利用微球辅助的流式细胞术（图1）以及概率统计的基本原理，系统研究了4种脱氧核糖核苷酸（腺嘌呤A、胸腺嘧啶T、鸟嘌呤G和胞嘧啶C）的连续16个脱氧核糖核苷酸组成的同型寡核苷酸单链（ssDNA）与20种常见氨基酸的同型八肽两两之间相互作用的平衡解离常数（K_D）和结合自由能（ΔG_A），建立了基于大样本量测量氨基酸与脱氧核糖核苷酸相互作用热力学平衡常数的实验方法。

图1. 微球辅助的流式细胞术实验示意图

通过系统研究同型寡核苷酸单链与同型八肽两两之间的相互作用结合自由能，从分子层面上揭示了二者之间的相互作用特征（图2），如不同种类氨基酸-脱氧核糖核苷酸之间相互作用的选择性、特异性和多样性（图3），其中包括较强相互作用对（如 Arg-G等）和较弱相互作用对（如 Ile-T等）。

图2. 四种同型寡核苷酸单链（A16、T16、C16和G16）与20种常见氨基酸的同型八肽（His8、Arg8、Lys8、Asp8、Glu8、Phe8、Ala8、Leu8、Met8、Ile8、Trp8、Pro8、Val8、Cys8、Gly8、Gln8、Asn8、Ser8、Tyr8和Thr8）的相互作用结合自由能（单位：kcal/mol）。

图3.四种同型寡核苷酸分别与20种常见氨基酸同型八肽相互作用的强度分布特征。

在同型寡核苷酸单链与同型八肽相互作用强度分布方面，则表现为明显分立的聚类特征，如图4所示，不同ΔG_A分立组之间有明显的能量间隙（4~5 kcal/mol），基于不同类型分子间弱相互作用强度范围存在明显差异，由此说明氨基酸-脱氧核糖核苷酸相互作用是氢键主导的。

图4. 同型寡核苷酸单链与同型八肽之间相互作用自由能分布（单位：kcal/mol）。NA代表低于该检测方法测量下限的同型寡核苷酸单链与同型八肽相互作用对。

研究结果表明，氨基酸和脱氧核糖核苷酸之间相互作用原理包含以下内容：

· 氨基酸-脱氧核糖核苷酸相互作用是氢键主导的；

· 氨基酸-脱氧核糖核苷酸相互作用强度具有分立的聚类特征；

· 每种氨基酸具有独特的脱氧核糖核苷酸相互作用谱，反之亦然，即每种脱氧核糖核苷酸具有独特的氨基酸相互作用谱。

该研究阐明了氨基酸和脱氧核糖核苷酸之间相互作用原理，但仍有如下问题有待进一步的深入研究：

· 脱氧核糖核苷酸和氨基酸的化学结构，如DNA骨架（磷酸和脱氧核糖）、DNA碱基（腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶）以及氨基酸的主链和侧链对它们之间相互作用的贡献；

· 序列、构象和环境等因素对氨基酸和脱氧核糖核苷酸之间相互作用的影响；

· 进一步改进和提高实验方法精确度，以分析不同类型作用力在氨基酸和脱氧核糖核苷酸相互作用中的贡献。

这些研究将有助于认识氨基酸和脱氧核糖核苷酸之间相互作用原理的分子机制，探索蛋白质-脱氧核糖核酸相互识别规律和本质。

论文信息

Principles of Amino-Acid-Nucleotide Interactions Revealed by Binding Affinities between Homogeneous Oligopeptides and Single-Stranded DNA Molecules

Pengyu Wang, Dr. Xiaocui Fang, Rong Du, Jiali Wang, Mingpeng Liu, Peng Xu, Shiqi Li, Kaiyue Zhang, Siyuan Ye, Dr. Qing You, Prof. Yanlian Yang, Prof. Chen Wang

ChemBioChem

DOI: 10.1002/cbic.202200048