催化学报 ›› 2025, Vol. 78: 138-143.DOI: 10.1016/S1872-2067(25)64797-8

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G-四链体DNA/血红素诱导对映选择性分子内环丙烷化反应

苗文慧a,b,1, 郝静雅a,b,1, 周文琴a, 贾国卿a,*(), 李灿a,b,*()   

  1. a中国科学院大连化学物理研究所, 能源催化转化全国重点实验室, 辽宁大连 116023
    b中国科学院大学, 北京 100049
  • 收稿日期:2025-06-30 接受日期:2025-07-29 出版日期:2025-11-18 发布日期:2025-10-14
  • 通讯作者: *电子信箱: gqjia@dicp.ac.cn (贾国卿), canli@dicp.ac.cn (李灿).
  • 作者简介:1共同第一作者.
  • 基金资助:
    国家重点研发计划(2022YFA0911900)

Enantioselective induction by G-quadruplex DNA/hemin in intramolecular cyclopropanation

Wenhui Miaoa,b,1, Jingya Haoa,b,1, Wenqin Zhoua, Guoqing Jiaa,*(), Can Lia,b,*()   

  1. aState Key Laboratory of Catalysis, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, Liaoning, China
    bUniversity of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • Received:2025-06-30 Accepted:2025-07-29 Online:2025-11-18 Published:2025-10-14
  • Contact: *E-mail: gqjia@dicp.ac.cn (G. Jia), canli@dicp.ac.cn (C. Li).
  • About author:1Contributed equally to this work.
  • Supported by:
    National Key Research and Development Program of China(2022YFA0911900)

摘要:

G-四链体DNA(G4)因其独特的结构多样性及与金属配合物的结合能力, 在构建人工DNA金属酶的领域备受关注. 血红素(Fe(III)-原卟啉IX, hemin)是一种生物内源性的含铁配合物, 已有研究表明, G4可结合hemin构筑G4/hemin核酸生物催化剂, 并表现出类血红素蛋白酶的催化活性. 然而, 如何实现基于G4/hemin催化的立体选择性一直面临挑战. 本文以分子内环丙烷化为探针反应, 基于G4的结构多样性, 成功实现了对映选择性的诱导.

本研究选取了49种具有明确二级结构(涵盖平行、杂化和反平行构型)的G4序列, 通过非共价相互作用与hemin结合, 构建G4/hemin复合物. 以反式-4-苯基丁烯-2-重氮乙酸酯(1a)的分子内环丙烷化为探针反应, 考察了不同G4二级结构对该反应对映选择性的影响. 结果表明,平行构型G4中, 有75%的序列展现出显著的对映选择性诱导能力(对映体过量值ee>5%), 杂化构型中46%的序列表现出对映选择性诱导能力, 而反平行结构G4几乎无对映选择性诱导能力. 因此, 对于探针分子内环丙烷化反应, 产物对映体选择性高度依赖于G4的构型, 其构效关系排序如下: 平行>杂化>反平行. 在平行构型的G4中, 由PW17(5’-GGGTAGGGCGGGTTGGG-3’)构筑的PW17/hemin表现出最优异的对映选择性. 为阐明其结构基础, 综合运用圆二色光谱、紫外-可见吸收光谱、紫外熔点分析和非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳等手段进行表征. 结果表明,PW17形成二聚体结构, 并以1:1的化学计量比与hemin结合. 通过碱基位点突变实验探究影响反应对映选择性的关键结构元素, 发现PW17的5’端和3’端在催化过程中发挥不同作用, 3’端对碱基的变化更为敏感, 在催化过程中起关键作用, 而5’端则主要起结构支撑作用. 此外, G-四平面的层数对反应对映选择性也至关重要. 基于上述结果, 我们提出PW17/hemin的二聚体结构模型: 两个相同的具有平行构型的G4单体通过其5’端堆叠形成二聚体, 两个hemin分子分别结合在单体的3’端, 共同构筑催化活性位点.

综上, 本研究实现了G4/hemin催化的对映选择性分子内环丙烷化反应, 揭示了G4构型与对映选择性之间的构效关系, 并提出了PW17/hemin的二聚平行结构模型. 未来可进一步结合多种光谱技术与理论计算, 深入解析G4/hemin的精细结构与催化机制. 本工作成功突破了G4/hemin催化中立体化学控制的瓶颈, 为开发新型G4/hemin生物催化剂提供了实验基础, 同时也为基于核酸构建人工酶的研究提供了重要参考.

关键词: G-四链体DNA, 血红素, 对映体选择性, 分子内环丙烷化, 核酸催化

Abstract:

G-quadruplex DNA (G4) can function as a kind of nucleic acid apoenzyme for constructing G4/hemin biocatalyst to mimic the catalytic function of hemoprotein. However, achieving stereoselective control with G4/hemin remains a persistent challenge. Here, we report that a PW17/hemin (PW17: 5’-GGGTAGGGCGGGTTGGG-3’), adopting the 5’-5’ stacked dimeric parallel G4 topology, can realize the enantioselective induction in intramolecular cyclopropanation of allyl diazoacetates with enantioselectivity up to 87% ee. Spectroscopic characterization and catalytic results demonstrate that the relatively open G-quartet of the 3’ terminal in dimeric PW17 contributes a catalytic pocket for hemin accommodation and plays a pivotal role in enantioselective control. This finding expands the unique repertoire of heme enzyme using biological scaffolds from proteins to nucleic acids and resolves the long-standing challenge of stereochemical control in G4/hemin catalysis.

Key words: G-quadruplex DNA, Hemin, Enantioselectivity, Intramolecular cyclopropanation, Nucleic acid catalysis