金属离子对二甲亚砜依赖的RNA切割型脱氧核酶催化活性的影响

doi:10.7503/cjcu20240004

高等学校化学学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (4): 20240004.doi: 10.7503/cjcu20240004

金属离子对二甲亚砜依赖的RNA切割型脱氧核酶催化活性的影响

崔力¹, 李素慧¹, 郑星¹, 常天俊¹(), 邴涛²()

^1.河南理工大学资源环境学院, 焦作 454003
^2.中国科学院杭州医学研究所, 杭州 310022

收稿日期:2024-01-02 出版日期:2024-04-10 发布日期:2024-02-19
通讯作者: 常天俊 E-mail:changtj@ hpu.edu.cn;bingtao@iccas.ac.cn
作者简介:邴涛, 男, 博士, 研究员, 主要从事细胞核酸适体的筛选、靶标鉴定与应用方面的研究. E-mail: bingtao@iccas.ac.cn
基金资助:
国家自然科学基金(U1704241);浙江省自然科学基金(YXD24B0401);浙江省“尖兵”“领雁”研发攻关计划(2023SDYXS0002);国家卫生健康委科学研究基金-浙江省卫生健康重大科技计划(WKJ-ZJ-2424);浙江省核酸适体与临床诊治重点实验室开放基金项目(2022ASC001)

Effect of Metal Ions on the Catalytical Activity of a DMSO-dependent RNA-cleaving DNAzyme

CUI Li¹, LI Suhui¹, ZHENG Xing¹, CHANG Tianjun¹(), BING Tao²()

^1.Institute of Resources and Environment，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China
^2.Hangzhou Institute of Medicine（HIM），Chinese Academy of Sciences，Hangzhou 310022，China

Received:2024-01-02 Online:2024-04-10 Published:2024-02-19
Contact: CHANG Tianjun E-mail:changtj@ hpu.edu.cn;bingtao@iccas.ac.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(U1704241);the Natural Science Foundation of Zhejiang Province, China(YXD24B0401);the Pioneer and Leading Goose Research and Development Program in Zhejiang Province, China(2023SDYXS0002);the National Health Commission Scientific Research Fund-Zhejiang Province Health Major Science and Technology, China(WKJ-ZJ-2424);the Key Laboratory of Aptamers and Clinical Diagnosis and Treatment in Zhejiang Province, China(2022ASC001)

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摘要/Abstract

摘要：

在高浓度有机溶剂中工作的RNA切割型脱氧核酶(RNA-cleaving DNAzyme, RCD)及其构筑的分子器件不仅拓展了DNA作为酶的能力, 还可将功能核酸推进新的应用领域. 本文研究了一个需要二甲亚砜才能工作的RCD(命名为E3)对金属离子的需求, 发现二价金属离子对其催化活性至关重要, 活性顺序为Zn²⁺, Mg²⁺>Fe²⁺>Pb²⁺>Mn²⁺>Co²⁺. 以Mg²⁺或Zn²⁺为辅因子, 表征了E3的速率-pH值关系及其与二者的结合比例. E3的催化速率-pH曲线在Mg²⁺存在下为“钟形”, 高速率的pH值范围为7.0~9.0; Zn²⁺存在下为“尖峰”, 速率最高时pH=7.0; E3与Mg²⁺和Zn²⁺的数量结合比例均为1∶1. 另外, E3以Fe²⁺为辅因子时易失活, Fe²⁺被氧化成Fe³⁺是失活的关键, 加入还原剂可使其复活. 进一步研究发现, Cu²⁺, Fe³⁺和Ni²⁺等金属离子可抑制Mg²⁺或Zn²⁺的作用, 使E3的催化活性急剧降低. 本文研究结果为理解E3的性质及催化机制提供了有用信息.

关键词: RNA切割型脱氧核酶, 功能核酸, 有机溶剂, 金属离子

Abstract:

Engineering RNA-cleaving DNAzymes（RCDs） and RCD-based molecular devices that are highly functional in high content of organic co-solvents may not only expand the ability of DNAs as enzymes， but also promote functional nucleic acids for novel applications. In this work， we have investigated the requirement of divalent metal ions for a dimethyl sulfoxide（DMSO）-dependent RCD（named E3） that we previously reported. The divalent metal ions were proved to be crucial for E3 to function in 35%（volume fraction） DMSO， and the metal ions with the ability to activate E3 followed the order： Zn²⁺， Mg²⁺>Fe²⁺>Pb²⁺>Mn²⁺>Co²⁺. The rate-pH profile of E3 in Mg²⁺ showed a “bell” shaped curve with a plateau at the pH range from 7.0 to 9.0， yet a sharp peak at pH value of 7.0 in Zn²⁺. Moreover， both Zn²⁺ and Mg²⁺ bound to E3 at a number ratio of 1∶1. We also observed that E3 could be activated by Fe²⁺ in 35% DMSO， but quickly inactive by the rapid oxidation of Fe²⁺ to Fe³⁺. This inactivation of E3^{could be further rescued by the addition of ascorbic acid. In addition， the catalytic activity of E3 in the presence of Zn²⁺ or Mg²⁺ was sharply inhibited with the competition of Cu²⁺， Ni²⁺， and Fe³⁺. These results are helpful for understanding the characterization and catalytical mechanism of the DMSO-dependent RCD.}

Key words: RNA-cleaving DNAzyme, Functional nucleic acid, Organic solvent, Metal ion

中图分类号:

O629.8

TrendMD:

崔力, 李素慧, 郑星, 常天俊, 邴涛. 金属离子对二甲亚砜依赖的RNA切割型脱氧核酶催化活性的影响. 高等学校化学学报, 2024, 45(4): 20240004.

CUI Li, LI Suhui, ZHENG Xing, CHANG Tianjun, BING Tao. Effect of Metal Ions on the Catalytical Activity of a DMSO-dependent RNA-cleaving DNAzyme. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(4): 20240004.

图/表 3

Fig.1 Catalytical cleavage of the substrate by E3 in the presence of divalent cations at different concentrations（A—C） The percent cleavage of E3 in the presence of different concentrations of these divalent cations；（D） the cleavage rate constants of E3 in the presence of different divalent cations. The concentration of Mg2+， Zn2+， Mn2+， Pb2+， Co2+， and Fe2+ were set at 30 mmol/L， 1 mmol/L， 10 mmol/L， 2 mmol/L， 0.5 mmol/L， and 1 mmol/L， respectively. ND in （D） indicates not determined. Fig.S5 was the dPAGE images for the analysis of the %Clv in （A） and （B）， and Fig.S6 was the dPAGE images in （D）. The cleavage experiments were carried out in 50 mmol/L Tris-HCl buffer（pH=7.5， including 300 mmol/L NaCl） supplemented with 35%（volume fraction） DMSO under single-turnover conditions（1000 nmol/L enzyme and 100 nmol/L substrate） at 23 ℃ in the presence of the indicated divalent metal ions.

Fig.2 pH⁃rate and metal ion concentration⁃rate profiles of E3The pH-rate profile of E3 under 30 mmol/L Mg2+（A） or 1 mmol/L Zn2+（B）. The buffers in （A） and （B） were made of 50 mmol/L MES for pH=5.5—7.0， and 50 mmol/L Tris-HCl for pH=7.0—9.0. The dPAGE assay for the kobs of E3 in 30 mmol/L Mg2+ or 1 mmol/L Zn2+ at various pH values were in Fig.S7. （C） Double logarithmic plot of the concentration of Zn2+ and Mg2+ against the rate constants of E3. The plot of the concentration of Zn2+ or Mg2+ vs. the rate constants of E3 were illustrated in Fig.S8.

Fig.3 The effect of Fe2+and its oxidation on the catalytic activity of E3（A） Effect of Fe2+ on the cleavage reaction of E3 in the presence of Vc. The concentration of Fe2+ was set at 1 mmol/L. （B） Kinetics of the cleavage reaction of E3 in the presence of 1 mmol/L Fe2++2 mmol/L Vc， or 2 mmol/L Vc only. dPAGE images for （B） were presented in Fig.S9. （C） dPAGE assay for the cleavage products of the substrate by E3 in the presence of Fe3+ or Fe3++2 mmol/L Vc. （D） Effect of Fe3+ on the catalytic activity of E3 in the reaction buffer（50 mmol/L Tris-HCl， pH 7.5+300 mmol/L NaCl+30 mmol/L Mg2++35%DMSO）. The concentration of E3 was at the range from 0 to 400 μmol/L. A cleavage reaction of E3 in various concentration of Fe3+ and 2 mmol/L Vc was used as a control.

参考文献 33

1	Mao Y.， Qu H.， Zheng L.， Chem. J. Chinese Universities， 2021， 42（11）， 3445—3456
	毛瑜，瞿昊，郑磊. 高等学校化学学报， 2021， 42（11）， 3445—3456
2	Breaker R. R.， Joyce G. F.， Chem. Biol.， 1994， 1（4）， 223—229
3	Wang H. M.， Chen Y. Q.， Wang H.， Liu X. Q.， Zhou X.， Wang F.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2019， 58（22）， 7380—7384
4	Hu Q. Q.， Tong Z. X.， Yalikong A.， Ge L. P.， Shi Q.， Du X. Y.， Wang P.， Liu X. Y.， Zhan W. Q.， Gao X.， Sun D.， Fu T.， Ye D.， Fan C. H.， Liu J.， Zhong Y. S.， Jiang Y. Z.， Gu H. Z.， Nat. Chem.， 2024， 16（1）， 122—131
5	Wang Y. Y.， Wang Y.， Song D. F.， Sun X.， Li Z.， Chen J. Y.， Yu H. Y.， Nat. Chem.， 2022， 14（3）， 350—359
6	Mao X. H.， Liu M. M.， Li Q.， Fan C. H.， Zuo X. L.， JACS Au， 2022， 2（11）， 2381—2399
7	Zheng X. D.， Yang J.， Zhou C. J.， Zhang C.， Zhang Q.， Wei X. P.， Nucleic Acids Res.， 2019， 47（3）， 1097—1109
8	Zhou Q. B.， Zhang G. X.， Wu Y. P.， Zhang Q.， Liu Y.， Chang Y. Y.， Liu M.， J. Am. Chem. Soc.， 2023， 145（39）， 21370—21377
9	Mcconnell E. M.， Cozma I.， Mou Q. B.， Brennan J. D.， Lu Y.， Li Y. F.， Chem. Soc. Rev.， 2021， 50（16）， 8954—8994
10	Wang Q.， He Y. Q.， Wang F. A.， Chem. J. Chinese Universities， 2021， 42（11）， 3334—3356
	王庆，何雨秋，王富安. 高等学校化学学报， 2021， 42（11）， 3334—3356
11	Santoro S. W.， Joyce G. F.， Proc. Natl. Acad. Sci. USA， 1997， 94（9）， 4262—4266
12	Tong Z. X.， Hu Q. Q.， Gu H. Z.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（11）， 2345—2355
	佟宗轩，胡沁沁，顾宏周. 高等学校化学学报， 2020， 41（11）， 2345—2355
13	Liu H. H.， Yu X.， Chen Y. Q.， Zhang J.， Wu B. X.， Zheng L. N.， Haruehanroengra P.， Wang R.， Li S. H.， Lin J. Z.， Li J. X.， Sheng J.， Huang Z.， Ma J. B.， Gan J. H.， Nat. Commun.， 2017， 8， 2006
14	Zheng X.， Ma M.， Cui L.， Wu L.， Chang T. J.， Chemistry， 2022， 85（7）， 770—780
	郑星，马明，崔力，武俐，常天俊. 化学通报， 2022， 85（7）， 770—780
15	Schlosser K.， Li Y. F.， Chem. Biol.， 2009， 16（3）， 311—322
16	Borggrafe J.， Victor J.， Rosenbach H.， Viegas A.， Gertzen C. G. W.， Wuebben C.， Kovacs H.， Gopalswamy M.， Riesner D.， Steger G.， Schiemann O.， Gohlke H.， Span I.， Etzkorn M.， Nature， 2022， 601（7891）， 144—149
17	Saran R.， Liu J. W.， Anal. Chem.， 2016， 88（7）， 4014—4020
18	Liu Z. J.， Mei S. H.， Brennan J. D.， Li Y. F.， J. Am. Chem. Soc.， 2003， 125（25）， 7539—7545
19	Chang T. J.， He S. S.， Amini R.， Li Y. F.， ChemBioChem， 2021， 22（14）， 2368—2383
20	Chang T. J.， Li G. P.， Chang D. R.， Amini R.， Zhu X. N.， Zhao T. Q.， Gu J.， Li Z. P.， Li Y. F.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2023， 62（42）， e202310941
21	Mukerjee P.， Ostrow J. D.， Tetrahedron Lett.， 1998， 39（5/6）， 423—426
22	Gu H. Z.， Furukawa K.， Weinberg Z.， Berenson D. F.， Breaker R. R.， J. Am. Chem. Soc.， 2013， 135（24）， 9121—9129
23	Wang Y. J.， Ngor A. K.， Nikoomanzar A.， Chaput J. C.， Nat. Commun.， 2018， 9， 5067
24	Brown A. K.， Liu J. W.， He Y.， Lu Y.， ChemBioChem， 2009， 10（3）， 486—492
25	Carmi N.， Breaker R. R.， Bioorg. Med. Chem.， 2001， 9（10）， 2589—2600
26	Nakano S.， Chadalavada D. M.， Bevilacqua P. C.， Science， 2000， 287（5457）， 1493—1497
27	Ma L. Z.， Kartik S.， Liu B. W.， Liu J. W.， Nucleic Acids Res.， 2019， 47（15）， 8154—8162
28	Sun X.， Gao M. M.， Zhang Z.， Wang H. Y.， Yu H. Y.， Chem. J. Chinese Universities， 2023， 44（3）， 20220246
	孙昕，高明媚，张泽，王海燕，于涵洋. 高等学校化学学报， 2023， 44（3）， 20220246
29	Moon W. J.， Yang Y. J.， Liu J. W.， ChemBioChem， 2021， 22（5）， 779—789
30	Huang P. J. J.， de Rochambeau D.， Sleiman H. F.， Liu J.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59（9）， 3573—3577
31	Zhou W. H.， Saran R.， Ding J. S.， Liu J. W.， ChemBioChem， 2017， 18（18）， 1828—1835
32	Moon W. J.， Liu J. W.， ChemBiochem， 2020， 21（3）， 401—407
33	Sigel R. K. O.， Sigel H.， Acc. Chem. Res.， 2010， 43（7）， 974—984

[1]	陈顺兰, 许丹妮, 李学锋, 彭格格, 黄以万, 龙世军, 张高文. 金属离子配位交联的热敏双网络水凝胶环境响应性黏附行为[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(8): 20230192.
[2]	孙昕, 高明媚, 张泽, 王海燕, 于涵洋. 催化RNA切割反应的苏糖核酸酶的表征及在切割microRNA中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(3): 20220246.
[3]	王君旸, 刘争, 张茜, 孙春燕, 李红霞. DNA银纳米簇在功能核酸荧光生物传感器中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220010.
[4]	张勇, 许俊, 鲍雨, 崔树勋. 非极性有机溶剂对分子内氢键弱化程度的单分子力谱定量研究[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(4): 20210863.
[5]	李华, 杨科, 黄俊峰, 陈凤娟. UiO-66-NH₂/wood的设计构筑及高效去除水中微量重金属离子性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(3): 20210701.
[6]	赵开庆, 吴若雨, 罗翌峰, 石春红, 胡军. 在多孔有机聚合物中构筑广谱性重金属离子吸附活性位[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(3): 834.
[7]	任晶, 王书刚, 李延春, 杨清彪, 宋岩, 李耀先. AOPAN@PAN同轴纳米纤维的制备及吸附性能[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(4): 825.
[8]	刘志, 李炳睿, 潘艳雄, 石凯, 王伟财, 彭超, 王哲, 姬相玲. 接枝亲水型高分子的丝瓜络对水中重金属离子的吸附行为[J]. 高等学校化学学报, 2017, 38(4): 669.
[9]	付茂, 吴德礼, 张亚雷, 张勇. 多羟基结构态亚铁化合物预处理含亚硒酸盐工业废水的影响机制[J]. 高等学校化学学报, 2016, 37(12): 2221.
[10]	吴若菲, 储艳秋, 许崇晟, 刘智攀, 丁传凡. 碱金属离子与三肽复合物的气相裂解反应[J]. 高等学校化学学报, 2016, 37(12): 2150.
[11]	谢迪欢, 孙春, 王晓静, 韩杰. 基于杯[4]冠醚的1,3,4-噁二唑荧光探针的合成及对金属离子的识别[J]. 高等学校化学学报, 2016, 37(11): 1966.
[12]	闫春秋, 刘斌, 鲁冠秀, 李耀先, 杨清彪, 宋岩. AOPAN/PA-66复合纳米纤维膜的制备及对金属离子的吸附性能[J]. 高等学校化学学报, 2016, 37(1): 189.
[13]	陈佑宁, 高莉, 贺茂芳, 卫引茂. 聚乙烯四唑型螯合树脂及其对重金属离子的吸附性能[J]. 高等学校化学学报, 2014, 35(7): 1596.
[14]	程景, 娄文勇, 宗敏华. 有机溶剂/缓冲液双相体系中固定化Acetobacter sp.CCTCC M209061细胞催化1-(4-甲氧基)-苯基乙醇不对称氧化反应[J]. 高等学校化学学报, 2014, 35(7): 1529.
[15]	汪淑华, 胡汉珍, 陈超, 马润宁, 张宁. C₃对称性芳香三羧酸配体构筑的稀土-有机骨架化合物的合成、结构及荧光性质[J]. 高等学校化学学报, 2014, 35(10): 2055.

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