g-quadruplex結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的分子模擬研究.pdf

1、G-quadruplex是一類由多層的G-quartet堆疊而成的特殊的DNA結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱。無論是細胞環(huán)境還是體外環(huán)境，富含鳥嘌呤(G)堿基的DNA序列均有可能形成G-quadruplex結(jié)構(gòu)。由于該結(jié)構(gòu)多存在于DNA的端粒(telomere)和啟動子(promoter)位置，從而具有潛在的影響DNA的復制和基因的表達的能力，因此吸引了大家廣泛的關(guān)注和研究。而G-quadruplex能夠影響DNA的復制和基因的表達的前提是G-quadru

2、plex結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定的存在。因此G-quadruplex的穩(wěn)定性及影響其穩(wěn)定的因素是一個基本的而又相對重要的科學問題。為了更深入的理解G-quadruplex的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)特點，由于G-quadruplex結(jié)構(gòu)上的多樣性和復雜性，本文采用了分子模擬(molecular Simulation)的手段，展現(xiàn)了G-quadruplex在分子層面的諸多細節(jié)，解釋了一系列的實驗結(jié)果，并為大家更好的理解G-quadruplex結(jié)構(gòu)提供了很好的指導。

3、
　　G-quadruplex結(jié)構(gòu)一般可以分為兩部分，一部分是由鳥嘌呤堿基組成的G-stem主體，另外一部分是連接不同G-strand的loop。一般大家認為G-stem是整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定部分，起穩(wěn)定整個結(jié)構(gòu)的主要作用，而loop是體系的柔性部分，對G-quadruplex的穩(wěn)定性影響不大。為了論證loop對G-quadruplex穩(wěn)定性的影響，我們在第二章研究了相對長的時間尺度內(nèi)的人類端粒適配體的反平行結(jié)構(gòu)和[3+1]雜化G-qu

4、adruplex結(jié)構(gòu)中l(wèi)oop的動力學特征和穩(wěn)定性。通過分析，我們發(fā)現(xiàn)對于edgewise loop和diagonal loop都有截然不同的剛性部分和柔性部分a剛性部分，主要是TA堿基對和一些堆疊在G-quartet上的堿基，其構(gòu)象在模擬總都保持了相當高的穩(wěn)定性;而loop的其它部分，特別是TT堿基堆疊和TA堿基堆疊的構(gòu)象就顯得不是很穩(wěn)定。在1μs的軌跡中，我們也觀察到了一些構(gòu)象轉(zhuǎn)變的發(fā)生。對于TA堿基對來說，作為TTA的edgewi

5、se loop中一個獨特的特征，本章研究所涉及的三個堿基對都十分的穩(wěn)定。同時，穩(wěn)定的堿基對也提高了相鄰G-quartet的穩(wěn)定性。
　　G-quadruplex結(jié)構(gòu)的形成離不開離子的參與，但是G-quadruplex中的離子并不是一直穩(wěn)定的存在于G-quadruplex中的，它會和溶液中的離子發(fā)生動態(tài)的交換行為。為了理解離子交換的時間尺度和其它諸如不對稱性等細節(jié)，我們在第三章研究了G-quartet中不同的糖苷二面角構(gòu)象對離子進出

6、的影響，研究發(fā)現(xiàn)syn構(gòu)象會導致K+離子的逃離變得困難，同時，末端的5'-syn會伴隨著額外氫鍵的產(chǎn)生，使得離子的逃離更見的困難。但是，由于Na+離子有相對較小的離子半徑，因此其逃離和交換不受syn構(gòu)象的影響。該發(fā)現(xiàn)有效的解釋了已知的實驗現(xiàn)象中的不對稱性。但是，該研究并沒有考慮G-quadruplex中環(huán)結(jié)構(gòu)隊離子進出的影響。
　　因此，在第四章，我們單獨研究了loop對離子進出的影響。研究發(fā)現(xiàn)大部分情況下，loop結(jié)構(gòu)和loop

7、堿基對于離子的進出都是有影響的，當然純粹的double chain reversal loop除外，因為其loop堿基均位于G-quadruplex的側(cè)面。對于edge wise loop和diagonal loop而言，由于其堿基是位于G-quadruplex的兩端的，剛好在離子進出的通道上，因此其在大部分情況下都會對離子的進出造成影響。loop堿基和loop結(jié)構(gòu)影響離子進出的主要途徑是通過和末端G-quartet之間形成堆疊，進而穩(wěn)

8、定G-quartet結(jié)構(gòu)，使得離子的逃離變得困難，大部分的loop堿基都是起到了這樣的作用。當然，也并不是完全都是這樣，還有兩類特殊的情況，一類是loop堿基和G-quartet之間并沒有很好的相互作用和堆疊，因此其對離子的進出就基本沒有影響。另外一種是loop在G-quartet上產(chǎn)生了一種特殊的堆疊結(jié)構(gòu)，即loop堿基的羰基O原子剛好在離子進出的通道上，由于羰基氧原子帶較強的負電，其和離子之間的靜電吸引相互作用使得離子的逃離變得比其

9、他有堿基堆疊得情況更容易。
　　為了在細胞環(huán)境中穩(wěn)定G-quadruplex結(jié)構(gòu)，從而抑制DNA的復制和基因的表達，通常需要外部藥物小分子的介入，和G-quadruplex結(jié)合，從而進一步穩(wěn)定G-quadruplex結(jié)構(gòu)。為了從分子層面理解藥物分子和G-quadruplex結(jié)合的特點，在第五章我們研究了兩個基于telomestain的藥物小分子和人類端粒適配體(htel)的相互作用細節(jié)，研究發(fā)現(xiàn)小分子的結(jié)合破壞了htel上原有的l

10、oop堿基上的TA堿基配對作用。在此之后，我們使用MM/PBSA的方法計算了小分子和htel結(jié)合的焓變，結(jié)果表明，雖然小分子和htel相互作用很強，但是由于它們之間的相互作用過程中破壞了htel原有的loop結(jié)構(gòu)，因此綜合來看結(jié)合焓變并不大，甚至于對于HXDV而言，結(jié)合焓變是一個正值，意味著結(jié)合之后能量反而升高了。如此反常的現(xiàn)象在我們分析了結(jié)合過程中的構(gòu)象熵變之后總算有了答案，結(jié)果表明，小分子結(jié)合過程雖然焓變有限，但是由于其對htel的