Расшифрована третичная структура комплекса ДНК-аптамера с АТФ и улучшена аффинность связывания

ДНК-аптамеры — мощные молекулярные инструменты для биосенсинга, биоимиджинга и терапии. Однако ограниченное понимание их третичных структур и механизмов связывания сдерживает их дальнейшую оптимизацию и применение.

Аденозинтрифосфат (АТФ) — центральный метаболит клеточного энергетического обмена и ключевая мишень для разработки аптамеров. Недавно сообщалось, что ДНК-аптамер 1301b связывается с одной молекулой АТФ с константой диссоциации (K_D) ~2.5 µM. Однако структурная основа распознавания АТФ 1301b оставалась неясной, что не позволяло провести рациональную оптимизацию.

В исследовании, опубликованном в PNAS, команда под руководством профессоров Тан Вэйхуна, Хан Да и Го Пэй из Ханчжоуского института медицины (HIM) Китайской академии наук определила третичную структуру комплекса ДНК-аптамера с АТФ в соотношении 1:1, раскрыла механизм распознавания и создала оптимизированный ДНК-аптамер с субмикромолярной K_D для связывания АТФ, что стало наивысшей аффинностью, зарегистрированной на сегодня для АТФ-связывающих ДНК-аптамеров.

Исследователи определили структуры в растворе методом ЯМР (NMR) укороченного варианта, 1301b_v1, в комплексе с АТФ. Структура показала L-образную архитектуру, где АТФ интеркалирует в связывающий карман, образованный двумя внутренними петлями, что стабилизируется водородными связями с гуанином и стэкинг-взаимодействиями с соседними основаниями.

Кроме того, исследователи показали, что ионы Mg²⁺ способствуют формированию 1301b_v1 частично свернутой структуры и дополнительно стабилизируют комплекс связывания, нейтрализуя отрицательно заряженные фосфатные группы ДНК и АТФ. Это продемонстрировало, что аптамер распознает АТФ через адаптивный механизм распознавания.

Более того, исследователи ввели 2'-O-метил модификации в ключевые остатки центрального соединения, что значительно улучшило аффинность связывания и снизило зависимость от ионов Mg²⁺. Оптимизированный вариант достиг субмикромолярной K_D ~0.7 µM и сохранил специфичность к АТФ.

Эта работа демонстрирует нераскрытый потенциал ДНК к формированию сложных третичных структур и дает новое понимание для разработки высокопроизводительных ДНК-молекулярных инструментов, которые могут применяться в таких областях, как диагностика и таргетная терапия.