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我院王长号教授课题组取得系列标志性成果

发布者:曹凯超  发布时间:2021-05-07 16:06:59  浏览:

(1)发现ATP和Cu2+离子的协同不对称催化性能

基于核酸具有丰富空间构型的特点,近年来国内外学者利用核酸作为生物骨架与金属物种组装成核酸杂化催化剂成功解决了水相中的难题,并且揭示了核酸和金属物种之间的协同催化效应。但是,在已报道的核酸-金属杂化催化剂中,核酸骨架一般含有几十到几百个核苷酸单元,这不利于获得核酸杂化催化剂的精细结构和研究其手性催化机理。本研究中发现Cu(II)离子和ATP特异性结合组装成Cu(II)-ATP配合物(Cu2+·ATP),它可以有效催化Diels-Alder反应形成手性碳-碳键,手性选择性可达到84%。控制实验、光谱表征和理论计算结果表明,Cu2+离子和ATP分子中β-位、γ-位的磷酸基以及腺嘌呤上N-7原子相互作用形成稳定的Cu(II)-ATP配合物。双烯体底物和Cu2+·ATP 中的Cu2+离子相互作用,双烯体底物通过氢键和ATP相互作用,二者形成有效的手性中间体进一步生成[4+2]的Diels-Alder反应手性产物。本研究发现ATP和金属离子相互作用能够形成手性催化物种,实现了单个核苷酸杂化催化剂的协同不对称催化。特别是,ATP和天然金属离子结合所表现出的催化活性可能会参与原始化学环境中手性的起源以及基于ATP的前生物合成。

该成果发表在《自然·通讯》期刊(Nat. Commun., 2020, 11, 4792),论文共同第一作者为王长号教授和2020届硕士生齐倩倩,通讯作者为王长号教授。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-18554-x

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(2)环二核苷酸人工核酶高效催化水相的不对称Friedel-Crafts反应

DNA和RNA是生命体遗传物质的载体,它们具有丰富的空间多级结构。近年来,研究者利用核酸的空间结构作为手性骨架组装成核酸杂化催化剂,实现了一系列水相中的不对称催化反应,并且促进了核酸手性催化功能的研究。目前,DNA的双螺旋结构和G-四链体结构被广泛用于组装DNA杂化催化剂,但是基于RNA的不对称催化还鲜有报道。本研究中发现一种天然的环状RNA分子c-di-AMP和Cu2+离子有效组装成人工环状RNA金属酶,对水相中的不对称Friedel-Crafts反应表现出高的反应活性和优异的手性选择性,最高ee达到97%。研究表明:c-di-AMP人工金属核酶不仅可以增强底物和Cu2+离子的结合能力,并且可以提高Cu2+离子的内在催化活性。光谱表征和DFT计算表明,两分子c-di-AMP和Cu2+离子组装成二聚体结构,其中两个来自不同c-di-AMP的一个A碱基形成平面结构。Cu2+离子坐落在A-A平面中间,通过两个A碱基的N7位和临近的磷酸基相互作用形成c-di-AMP人工金属核酶。该研究开发了一类新型高效的人工金属核酶催化剂,同时为揭示CDN在自然界中的催化作用提供了研究基础。

该成果发表在《德国应用化学》期刊(Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 3444-3449),论文共同第一作者为王长号教授和2019届硕士生郝敏,共同通讯作者为王长号教授和陈亚芍教授。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201912962

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(3)新型环二核苷酸的合成及其与核糖开关和STING的生物学效应

环二核苷酸(Cyclic dinucleotides,CDNs)是一类天然的环状RNA分子,它由两分子核苷酸形成十二元环构成,作为第二信使分子广泛参与细胞间的信号传导和调节生命过程。在自然界发现的天然CDN有c-di-GMP、c-di-AMP、c-GMP-AMP和2’3’-c-GAMP。众所周知,天然的核糖核苷酸有四种,自然界中是否存在其他核苷酸组合的CDN参与生命过程仍是一个未知的科学问题。通过改进和优化现有的化学一锅法,采用商品化的亚磷酸酯为原料,经过水解、耦合、环化和脱保护四大步骤,实现了所有核糖核苷酸组合的十种3‘5‘-连接CDN的高效快速合成。该方法原料易得、合成步骤少、产物收率较高,为获取CDN提供了方便且快捷的化学合成途径。研究表明,随着CDN碱基的改变,不同的CDN自组装形成不同的空间构型,显示出一定的自组装特性。采用荧光光谱和In-line Probing技术研究了10种不同环二核苷酸和GEMM核糖开关之间的相互作用。结果表明,除了已报道c-di-GMP和c-AMP-GMP对特定的核糖开关序列具有特异性识别外,新型的环二核苷酸如c-CMP-GMP和c-GMP-UMP对核糖开关序列也有一定的结合能力。考察了10种CDN结合STING刺激产生免疫信号的性能,除了已知的CDN,一种新型的环二核苷酸c-AMP-CMP也表现出一定的免疫刺激应答效应,这为开发新型CDN免疫刺激应答试剂提供了理论基础。。

该成果发表在《美国化学会志》期刊(J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 16154–16160),论文第一作者为王长号教授,通讯作者为德国康斯坦茨大学Jörg S. Hartig教授。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.7b06141

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