2022年3月30日，国际化学领域顶级期刊Journal of the American Chemical Society（JACS, IF=15.419）在线发表了我校中药学院孔令义教授团队的最新研究成果 “Oxidative Damage Induces a Vacancy G-Quadruplex that Binds Guanine Metabolites: Solution Structure of a cGMP Fill-in Vacancy G-Quadruplex in the Oxidized BLM Gene Promoter”。王凯波特聘研究员和刘玉霜博士后为本文的共同第一作者，孔令义教授和美国普渡大学Danzhou Yang教授为本文的通讯作者，中国药科大学为本文第一通讯单位。
研究发现，基因组中富含鸟嘌呤（G）的DNA序列，在Hoogsteen氢键和钾或钠离子的稳定作用下，可以形成一种特殊的DNA二级结构，即DNA G-四链体（G4）。G4在端粒和癌基因的启动子区域大量存在，它们调控着癌基因的复制、转录、翻译等过程，并参与维护基因组的稳定，对癌细胞的生长、增殖、侵袭和永生化等至关重要，是重要的癌症生物标志物。此外G4结构与双链DNA明显不同，可以被小分子化合物特异性结合和稳定，进而干扰癌基因的表达，最终杀灭癌细胞。因此，DNA G4被认为是最具潜力的抗癌药物研究新靶点之一。
核磁共振技术（NMR）在小分子化合物结构解析中应用广泛，其在生物大分子（如核酸，蛋白质等）结构解析中也发挥着重要作用。特别是在DNA G4的结构解析中，采用NMR技术能够解析接近人体生理溶液环境下的G4结构，相较于X-单晶衍射技术具有明显优势。
该项工作中，研究者广泛采用NMR、ECD、MST和EMSA等实验，发现氧化损伤（ROS）可诱导人源BLM基因启动子序列形成缺口G4，且该缺口G4可以被cGMP等天然鸟嘌呤代谢物填充和稳定。进一步采集各种2D NMR 图谱（包括NOESY、COSY、HSQC等），结合分子动力学模拟，解析了cGMP与该缺口G4结合复合物的NMR溶液结构。此外，研究者分析了多种体内鸟嘌呤代谢物和抗病毒药物与该缺口G4的相互作用情况，为生命体的基因表达调控提出了新机制。本研究通过解析cGMP−BLM-vG4复合物的结构，为鸟嘌呤衍生物类抗癌药物设计提供了结构指导和新思路；同时也为靶向氧化损伤诱导的缺口G4新靶点的天然小分子抗癌药物研究提供了理论基础和新策略。
该项研究工作获得了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中国药科大学高层次海外引进人才基金等资助。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c00435
NMR解析的cGMP−BLM-vG4复合物结构图（PDB ID: 7WGW）
撰写人：刘玉霜