In einer Studie veröffentlicht In PNAShat ein Forschungsteam die erste hochauflösende Struktur des sgc8c-DNA-Aptamers entschlüsselt, der auf die Protein-Tyrosin-Kinase 7 (PTK7) abzielt, zwei optimale sgc8c-Varianten für die Krankheits-Theranostik effizient entwickelt und neue Prinzipien für die komplexe strukturelle und funktionelle Organisation von DNA-Molekülen entdeckt.
Aptamere sind funktionelle Nukleinsäuren, die in der klinischen Diagnostik und der gezielten Arzneimittelverabreichung breite Anwendung finden. Die hohe Bindungsaffinität und Spezifität eines Aptamers für sein Proteinziel hängt von seiner komplexen dreidimensionalen (3D) Struktur ab.
Die 3D-Struktur eines Aptamers im Komplex mit seinem Proteinpartner hilft, dessen Funktionalität zu verstehen und zu optimieren. Die komplexe Struktur ist jedoch aufgrund der konformationellen Heterogenität des Aptamers und/oder Proteins schwer zu erhalten, und die 3D-Strukturen von DNA-Molekülen, denen RNA-ähnliche tertiäre Wechselwirkungen fehlen, bleiben weitgehend unerforscht.
Sgc8c ist ein 41-nt-DNA-Aptamer, der durch Zell-SELEX auf Leukämiezellen getestet wurde. Das molekulare Ziel von Sgc8c ist PTK7, eine Transmembran-Rezeptor-Pseudokinase, die bei verschiedenen Krebsarten überexprimiert wird.
Aufgrund seiner hohen Bindungsaffinität und Spezifität für Protein- und Zellziele ist sgc8c zu einem der am häufigsten verwendeten DNA-Aptamere in der Krebs-Theranostik geworden. Die strukturellen Grundlagen der Funktionalität von sgc8c sind jedoch noch immer unklar, und ein strukturell orientiertes Funktionsverständnis und eine Optimierung von sgc8c sind erforderlich.
In dieser Studie untersuchten die Forscher unter der Leitung von Prof. Tan Weihong, Prof. Han Da und Assoc. Prof. Guo Pei vom Hangzhou Institute of Medicine (HIM) der Chinese Academy of Sciences (CAS) zunächst 10 Watson-Crick-Basenpaare in sgc8c mithilfe der Kernspinresonanz (NMR) in Lösungen und identifizierten drei gepaarte Regionen, darunter P1, P2 und P3.
Anschließend bestätigten sie mithilfe von NMR-chemischen Verschiebungsstörungen (CSPs) und zielgerichteten Mutationstests, dass Nukleotide aus P2 das wichtigste Bindungselement darstellten.
Nachdem sich herausgestellt hatte, dass die Bindung an PTK7 die ursprüngliche 3D-Faltung von sgc8c nicht störte, ermittelten die Forscher die Lösungs-NMR-Struktur von sgc8c und klärten eine komplexe Dreiwege-Faltung auf, die durch Wasserstoffbrücken über große Reichweite und umfangreiche Base-Base-Stapelwechselwirkungen stabilisiert wird.
Mehrere tertiäre Wechselwirkungen, die häufig bei RNA beobachtet werden, aber selten bei DNA-Molekülen, sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der Struktur und Funktion von sgc8c. Besonders interessant ist, dass sgc8c mehr als zehn Nukleotide aus unterschiedlichen Regionen rekrutieren und sie zu seinem wichtigsten strukturellen und funktionellen Gerüst zusammensetzen kann.
Geleitet von der gut belegten strukturellen und funktionellen Beziehung entwickelten die Forscher effizient zwei optimale sgc8c-Varianten, die gleichzeitig eine verbesserte Thermostabilität, Biostabilität und Bindungsaffinität zu Protein- und Zellzielen aufweisen und so neue Wege für verschiedene Aptamer-basierte biomedizinische Anwendungen eröffnen.
In dieser Arbeit wird ein optimierter NMR-basierter Ansatz entwickelt, um die Herausforderungen beim Verständnis und der Optimierung der Funktion von DNA-Aptameren, die auf Membranproteine abzielen, zu überwinden. Außerdem wird die zentrale Rolle tertiärer Wechselwirkungen bei der Gestaltung der komplexen Struktur und komplexen Funktion von DNA-Molekülen hervorgehoben.
Mehr Informationen:
Axin He et al., Strukturbasierte Untersuchung eines DNA-Aptamers, der auf PTK7 abzielt, zeigt eine komplexe 3D-Faltung, die eine funktionale Optimierung steuert, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2024). DOI: 10.1073/pnas.2404060121