核酸动态学

1. 核酸动态学 张志超 大连理工大学精细化工国家重点实验室

2. 核酸发现的创始人 Friedrich Miescher

5. FIG. 1. X-ray diffraction patterns of the Na salt of poly[d(I-C)] fibers. (a) D-form pattern of poly[d(I-C)] fiber at 75% r.h. recorded on a flat-plate camera. Specimen-to-film distance, 5 cm. (b) Precession photograph of the poly[d(I-C)] fiber at 75% r.h. Specimen-to-film distance, 6cm. (c) B-form pattern of wet fiber poly[d(I-C)] (r.h., 95%). The photograph was recorded on a flat-plate camera as in a.

6. A, B, Z型DNA的对比

9. Z DNA

10. Probe for Z-DNA Biophysical Journal Volume 90 May 2006 3203–3207

12. 小沟结合DNA 靶向化合物

13. N3 of A and O2 of T at the floor of the minor groove in AT Sequences form H-bond with minor groove binder.

14. What do the small molecules whisper to you? N3 of A and O2 of T at the floor of the minor groove in AT sequences.

18. There are no general codes for sequence-specific recognition. • We cannot predict the atomic interactions between the protein side chains and the functional groups of the nucleotides given their sequences. • However, there are several general families of DNA-binding motifs ：α Helixis the most common structural element used for base recognition. β-sheetscan be used as well.

19. 锌指蛋白 • 锌指蛋白通常由一系列锌指组成。 具有重复结构的氨基酸模式，相隔特定距离的胱氨酸结合锌指，能与某些RNA/DNA 结合。 • 锌指蛋白（zinc finger protein)是哺乳动物细胞内含量最丰富的蛋白质模体(motif)，是各种特异性DNA结合蛋白质中最大的一个类别。具统计大约有2%的人类基因(700至900个)编码锌指蛋白。这些锌指蛋白与真核基因的表达调控密切相关。锌指蛋白最早由诺贝尔奖获得者Klug和同事在爪蟾转录因子IIIA (TFIIIA)蛋白质中首先发现的。

20. 锌指蛋白

21. 锌指蛋白通过α螺旋识别DNA大沟

22. 锌指蛋白通过α螺旋识别DNA大沟

23. 基因编辑疗法 • 基因组重排被认为是推动治疗方法的最后一步。正在进化的领域如基因编辑为未来肿瘤、镰状细胞性贫血和已确定的免疫缺陷疾病的治疗带来希望。　　这一领域中的核心化合物是含锌指结构蛋白质(ZFPs)，这是一种自然而然出现的转录因子。也就是说，他们可以调节DNA的活动。可以对含锌指结构蛋白质进行设计来发挥不同的作用。　　“给含锌指结构蛋白质附加不同的功能领域就可以产生具有不同功能的蛋白质。”加利福尼亚的SangamoBioSciences公司发言人、公共卫生博士ElizabethWolffe说：“我们可以通过给含锌指结构蛋白质添加转录激活因子或抑制因子来调节基因向上或向下表达；我们还可以向含锌指结构蛋白质添加核酸酶，从而在基因组的特定位置切断基因。然后，我们利用细胞本身的DNA修复机制来推动DNA分布、修正或DNA加成。”　　“基因编辑疗法的优势在于我们完全基于细胞本身的作用机制，没有任何强化因子，”EnzoBiochem公司的创始人兼主席ElazarRabbani说：“一旦基因被成功编辑，它将在细胞的一生中发挥作用。”ElazarRabbani拥有数项基因编辑方面的专利。

24. 基因编辑最早被用来在体外进行细胞试验。“我们最初将含锌指结构蛋白质技术用来治疗血液和免疫系统疾病，”Wolffe说：“例如，艾滋病病毒能破坏T细胞的CCR5受体，治疗过程中，从病人体内提取细胞，在体外运用ZFNs技术对细胞进行扩展、使其恢复正常，然后再输回到病人体内。”Sangamo将在今年开展Ⅰ期临床试验。从其他公司早期研究结果来看，Wolffe认为，这种治疗方法能使T细胞对艾滋病病毒产生1年至18个月的抵抗力——一个细胞的生命周期。“我们已经发现T细胞在艾滋病病毒出现时有一种选择性的生存优势，”她说：“更重要的一点是，在细胞内短暂出现的含锌指结构蛋白质却会带来长久的效果。我们发现锌指结构蛋白质还可以运用到干细胞，这样就可以产生更长久的效果，因为其后代所有的干细胞都可以被改良。”　　紧接着是艾滋病药作为脑肿瘤，恶性胶质瘤的治疗药物。这种治疗方法的策略是破坏T细胞中的糖皮质激素受体，这样就能杀死恶性胶质瘤肿细胞。不是来自病人自身的，这些被设计过的细胞，在使用糖皮质激素抑制排斥反应的同时，将会被注入患者脑内。　　但是基因编辑的费用也不便宜。Rabbani很支持这项技术。“我认为，这项技术不算太昂贵，”她说：“尤其是后代的细胞可以永远、持续不断。我相信对人类来说，完整的基因处理，实际上是对诸如肿瘤等具有遗传疾病最有希望的治疗方法之一。”

25. 锌指蛋白的国内研究现状 • 小麦TaLSD1锌指蛋白基因的电子克隆及序列分析 • TFⅢA型锌指蛋白及在提高植物耐逆性中的作用 • 锌指蛋白2在胰腺癌中的表达 • 锌指蛋白A20对人单核细胞LPS应答的影响 • 锌指蛋白A20 RNAi腺病毒的制备及其对人脑胶质瘤细胞系U87细胞功能的影响 • 水稻C2H2型锌指蛋白基因RZF71的克隆与表达分析 • 马铃薯Alfin1-like锌指蛋白基因克隆与序列分析 • 特异识别HIV-1序列的锌指蛋白的表达纯化及其在Biacore CM-5芯片上的固定 • 陆地棉锌指蛋白(GZFP)的原核表达 • 小鼠锌指蛋白基因Znf230条件基因打靶载体的构建

26. 三链DNA A triple-stranded DNA is a structure of DNA in which three oligonucleotides wind around each other and form a triple helix. In this structure, one strand binds to a B-form DNA double helix through Hoogesteen or reverse Hoogesteen hydrogen bonds.

28. 三链DNA的特点 • 可以存活于人体； • 可以参与细胞关于DNA的一切生物学过程（例如DNA-蛋白质结合）； • 专一性识别

30. 四链DNA

32. 肽核酸（peptide nucleic acids) • 肽核酸（PNA）是一种以中性酰氨键为骨架并兼有多肽和核酸性质的独特化合物 .

34. PNA的特点 • 1. 中性肽链。与核酸的杂交能力强于核酸间的杂交能力； • 2. 热稳定性高于核酸间的杂交体； • 3. 抗酶解能力增强，由于其非肽和非核酸的结构特点，蛋白酶和核酸酶均不能降解PNA。目前，PNA被广泛用于化学、生物学、反义药物、分子识别、遗传诊断等领域。

35. PNA的应用 • Applications: target duplex DNA by strand invasion or triplex formation for sequence-specific detection, purification, or genetic manipulation。目前，PNA被广泛用于化学、生物学、反义药物、分子识别、遗传诊断等领域。

36. 非天然核苷酸（Unnatural DNA base)

39. 一种“非天然碱基对”新技术应用前景看好 • 《Nature Methods》     • 研究者通过引入一个非天然碱基对系统，实现了对RNA特定位点的生物素化处理，从而使得他们能在硅片上对寡聚核苷酸适配子进行固定化处理，进而可以检测到它与目标蛋白的相互作用是否发生。

40. 推荐阅读： • 合成抗敏低聚核苷酸. 化学通报——万方数据库

41. Summary