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说到酶，很多人都知道常见的酶主要是蛋白质，还有一些是有催化活性的RNA分子。然而实际上，脱氧核糖酸分子（DNA）也能通过特定的序列和三维结构促进特定的化学反应。90年代，科学家们通过体外选择方法获得了第一批“DNA酶”，用DNA和酶（enzyme）两个词组合起来将其命名为DNAzymes。
DNAzymes作为一种精密的生物催化分子，能够靶向RNA分子进行切割。它们由几十个核苷酸组成，两端的序列经过设计作为“结合臂”，与RNA链上的特定位置相匹配，中间的固定序列则作为“催化核心”切割RNA分子，切割下来的片段在细胞中被迅速降解。
▲DNAzyme（红色）通过结合臂锚定在RNA链（黄色）的特定位置，然后用其催化核心将RNA切断（图片来源：参考资料[2]；Credit：HHU/Manuel Etzkorn）
正因为可以精确地破坏不需要的RNA分子，DNAzyme的独特功能让人看到了用它来治疗疾病的潜力。比如有些病毒的遗传物质被编码在RNA上（新冠病毒就是一个典型例子），或是癌细胞在大量增殖时用到的信使RNA，找到其中与健康细胞mRNA不同的序列，理论上都可以作为靶点，将其破坏。
“理论上听起来很诱人，早在差不多二十年前就有人提出了用DNAzymes进行治疗，可惜的是，在医疗实践中却迟迟起不了作用。”德国杜塞尔多夫大学（HHU）生物物理研究所的研究员Manuel Etzkorn博士说，“体外实验中，DNAzymes可以在试管里非常有效地破坏RNA分子；但在细胞里，很少看到这样的事发生，肯定有一个拮抗的过程在阻止DNAzymes。”
为了改进和开发DNAzymes，使之在细胞中发挥出治疗潜力，科学家们决定从根本入手，对DNAzymes的动态作用方式一探究竟。近日，Etzkorn博士带领的团队与其合作者在顶尖学术期刊《自然》发表论文，报告了他们的发现。
在这项研究中，利用高分辨率实时核磁共振（NMR）、电子顺磁共振和荧光光谱，以及分子动力学模拟等技术方法，科学家们得以在原子水平提出了DNAzymes的结构和催化机制，包括整个系统如何动态运行，结合和切割RNA的步骤，以及哪些辅助因子支持反应。用研究人员在论文中的话说，涉及到了“一个出人意料又令人兴奋的分子结构，明显的构象可塑性，和金属离子的动态调节作用”。
具体来看，DNAzymes的催化核心以高效的方式裹住RNA链，通过先前未知的限速瞬态中间状态将其切成两段。而在切割位点，研究人员还找到了有关RNA碱基偏好的信息。
研究结果确定金属镁是一种关键的辅助因子，这还可以解释为什么DNAzymes在细胞中不能很好地发挥作用。“镁与DNAzymes的结合相对较弱，只是短暂地与之结合。细胞中还有其他成分对镁有着更大的亲和力，可以说，它们会从DNAzymes中把镁‘偷走’。”论文第一作者Jan Borggräfe博士说。
下一步研究人员打算在细胞培养物和类器官中进行研究，通过提高DNAzymes与镁离子结合的能力，增加它们在生物组织中的活性。
图片来源：123RF
随着这项新研究在结构学上带来的洞见，科学家们计划着手设计下一代DNAzymes，显著提高其性能，最终在治疗和生物技术领域真正发挥活性DNA分子的潜力。
Etzkorn博士还强调了DNAzymes在另一个重要领域的应用潜力：神经退行性疾病。他介绍说：“拿帕金森病来说，α-突触蛋白可以促进神经毒性，而以产生α-突触蛋白的信使RNA序列为靶点，某些情况下我们或许可以用DNAzymes来破坏这些RNA。”
我们拭目以待这种具有治疗潜力的活性DNA分子真正攻克疾病、造福病患的一天！
参考资料：
[2] DNAzymes – how active DNA molecules with therapeutic potential work. Retrieved Dec. 30, 2021 from https://www.eurekalert.org/news-releases/938522
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