Расшифрована сложная 3D-структура ДНК-аптамера sgc8c для тераностики

В исследовании, опубликованном в PNAS, научная группа определила первую высокоразрешающую структуру ДНК-аптамера sgc8c, нацеленного на протеинтирозинкиназу 7 (PTK7), создала два оптимальных варианта sgc8c для эффективной тераностики и выявила новые принципы сложной структурно-функциональной организации ДНК.

Аптамеры — это функциональные нуклеиновые кислоты с широким применением в клинической диагностике и целевой доставке лекарств. Высокое сродство и специфичность связывания аптамера с белком-мишенью зависят от его сложной трёхмерной (3D) структуры.

3D-структура аптамера в комплексе с белком помогает понять и оптимизировать его функцию. Однако получить такую структуру сложно из-за конформационной неоднородности аптамера и/или белка, а 3D-структуры молекул ДНК, в которых, как считается, отсутствуют третичные взаимодействия, подобные РНК, остаются малоизученными.

Sgc8c — это 41-нуклеотидный ДНК-аптамер, отобранный методом cell-SELEX для нацеливания на клетки лейкемии. Его молекулярной мишенью является PTK7 — трансмембранный рецептор-псевдокининаза, сверхэкспрессируемая при различных типах рака.

Благодаря высокому сродству и специфичности связывания как с белковой, так и с клеточной мишенью, sgc8c стал одним из наиболее широко используемых ДНК-аптамеров в тераностике рака. Однако структурная основа его функциональности оставалась неясной, и требовались структурно-обусловленное понимание и оптимизация sgc8c.

В этом исследовании учёные под руководством профессоров Тань Вэйхуна, Хань Да и доцента Го Пэй из Ханчжоуского института медицины (HIM) Китайской академии наук (CAS) сначала с помощью растворительной ЯМР-спектроскопии определили 10 пар Уотсона–Крика в sgc8c и выявили три спаренных региона: P1, P2 и P3.

Затем с использованием анализа химических сдвигов ЯМР (CSPs) и сайт-направленного мутагенеза они подтвердили, что нуклеотиды из региона P2 составляют ключевой элемент связывания.

Убедившись, что связывание с PTK7 не нарушает исходную 3D-структуру sgc8c, исследователи определили его структуру методом ЯМР в растворе. Они выявили сложную структуру трёхспирального соединения, стабилизированную дальними водородными связями и обширными стэкинг-взаимодействиями оснований.

Несколько третичных взаимодействий, обычно наблюдаемых в РНК, но редко встречающихся в молекулах ДНК, оказались критически важны для поддержания структуры и функции sgc8c. Наиболее интригующе то, что sgc8c способен объединять более десяти нуклеотидов из различных регионов в свою ключевую структурно-функциональную основу.

Руководствуясь установленной структурно-функциональной взаимосвязью, исследователи эффективно создали два оптимальных варианта sgc8c. Они демонстрируют одновременно повышенную термостабильность, биологическую стабильность и сродство связывания как с белковой, так и с клеточной мишенью, открывая новые пути для различных биомедицинских применений на основе аптамеров.

Эта работа предлагает оптимизированный подход на основе ЯМР для преодоления сложностей в понимании и оптимизации функций ДНК-аптамеров, нацеленных на мембранные белки, и подчёркивает ключевую роль третичных взаимодействий в формировании сложной структуры и функции молекул ДНК.