Studie entschlüsselt komplexe 3D-Struktur eines DNA-Aptamers für die Theranostik von Krankheiten

In einer Studie veröffentlicht in PNASEin Forschungsteam löste die erste hochauflösende Struktur des sgc8c-DNA-Aptamers, das auf die Protein-Tyrosinkinase 7 (PTK7) abzielt, entwarf zwei optimale Varianten von sgc8c für die effiziente Theranostik von Krankheiten und enthüllte neue Prinzipien für die anspruchsvolle strukturelle und funktionelle Organisation von DNA-Molekülen .

Aptamere sind funktionelle Nukleinsäuren, die zahlreiche Anwendungen in der klinischen Diagnose und der gezielten Arzneimittelabgabe finden. Die starke Bindungsaffinität und Spezifität eines Aptamers für sein Proteinziel hängt von seiner komplexen dreidimensionalen (3D) Struktur ab.

Die 3D-Struktur eines Aptamers im Komplex mit seinem Proteinpartner ermöglicht es uns, seine Funktionalität zu verstehen und zu optimieren. Allerdings ist die komplexe Struktur aufgrund der Konformationsheterogenität des Aptamers und/oder Proteins schwer zu erhalten, und die 3D-Strukturen von DNA-Molekülen, denen RNA-ähnliche tertiäre Wechselwirkungen fehlen, bleiben weitgehend unerforscht.

Sgc8c ist ein 41-nt-DNA-Aptamer, das mit zellulärem SELEX auf Leukämiezellen untersucht wurde. Das molekulare Ziel von sgc8c ist PTK7, eine Transmembranrezeptor-Pseudokinase, die bei verschiedenen Krebsarten überexprimiert wird.

Aufgrund seiner hohen Bindungsaffinität und Spezifität für Proteine ​​und zelluläre Ziele ist sgc8c zu einem der am häufigsten verwendeten DNA-Aptamere in der Krebstheranostik geworden. Die strukturelle Basis, die der Funktionalität von sgc8c zugrunde liegt, bleibt jedoch unklar, und ein strukturgesteuertes Funktionsverständnis und eine Optimierung von sgc8c sind erforderlich.

In dieser Studie untersuchten Forscher unter der Leitung von Professor Tan Weihong, Professor Han Da und außerordentlichem Professor Guo Pei vom Hangzhou Institute of Medicine (HIM) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) zunächst 10 Watson-Crick-Basenpaare in sgc8c mithilfe einer Lösung Kernspinresonanz (NMR) und identifizierte drei gepaarte Regionen, darunter P1, P2 und P3.

Anschließend bestätigten sie mithilfe von NMR-chemischen Verschiebungsstörungen (CSP) und ortsgerichteten Mutagenese-Assays, dass P2-Nukleotide das Schlüsselbindungselement sind.

Nachdem die Forscher festgestellt hatten, dass die PTK7-Bindung die ursprüngliche 3D-Faltung von sgc8c nicht störte, bestimmten sie die NMR-Struktur der sgc8c-Lösung und klärten eine komplexe Drei-Wege-Verbindungsfaltung auf, die durch weitreichende und ausgedehnte Basen-Basen-Stapelwechselwirkungen stabilisiert wird.

Mehrere tertiäre Wechselwirkungen, die häufig in RNA, aber selten in DNA-Molekülen beobachtet werden, sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der Struktur und Funktion von sgc8c. Noch faszinierender ist, dass sgc8c mehr als zehn Nukleotide aus verschiedenen Regionen rekrutieren und sie zu seinem wichtigsten strukturellen und funktionellen Gerüst zusammenfügen kann.

Geleitet von der gut etablierten strukturellen und funktionellen Beziehung entwarfen die Forscher effektiv zwei optimale sgc8c-Varianten, die gleichzeitig eine verbesserte Thermostabilität, Biostabilität und Bindungsaffinität zu Proteinen und zellulären Zielen aufweisen und so neue Möglichkeiten für verschiedene biomedizinische Anwendungen auf Basis von Aptameren bieten.

Diese Arbeit entwickelt einen optimierten NMR-basierten Ansatz zur Bewältigung der Herausforderungen beim Verständnis und der Optimierung der Funktion von DNA-Aptameren, die auf Membranproteine ​​abzielen, und hebt die zentrale Rolle tertiärer Wechselwirkungen bei der Bildung der komplexen Struktur und der anspruchsvollen Funktion von DNA-Molekülen hervor.