Ученые расшифровали структуру ДНК-аптамера, связывающего АТФ, и улучшили его эффективность

ДНК, имеющая двойную спиральную структуру, может иметь множество генетических мутаций и вариаций. Автор: NIH

ДНК-аптамеры являются мощными молекулярными инструментами в биосенсорике, биовизуализации и терапевтике. Однако ограниченное понимание их третичных структур и механизмов связывания препятствует их дальнейшей оптимизации и применению.

Аденозинтрифосфат (АТФ), центральный метаболит в клеточном энергетическом метаболизме, является ключевой мишенью для разработки аптамеров. Недавно сообщалось, что ДНК-аптамер 1301b связывается с одной молекулой АТФ с константой диссоциации (K_D) ~2,5 мкМ. Однако структурная основа распознавания АТФ 1301b оставалась неясной, не хватало руководящих принципов для рациональной оптимизации.

В исследовании, опубликованном в PNAS, группа под руководством профессора Тана Вэйхуна, профессора Хан Да и профессора Го Пей из Ханчжоуского института медицины (HIM) Китайской академии наук определила третичную структуру комплекса ДНК-аптамер-АТФ 1:1, раскрыла механизм распознавания и создала оптимизированный ДНК-аптамер с субмикромолярной K_D для связывания АТФ, который продемонстрировал наивысшее сродство из известных на сегодняшний день ДНК-аптамеров, связывающих АТФ.

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

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

Более того, исследователи ввели 2'-O-метил модификации в ключевые остатки в центральном соединении, значительно улучшив сродство связывания и снизив зависимость от ионов Mg²⁺. Оптимизированный вариант достиг субмикромолярной K_D ~0,7 мкМ и сохранил специфичность к АТФ.

Эта работа демонстрирует нераскрытый потенциал ДНК к формированию сложных третичных структур и предоставляет новые возможности для проектирования высокоэффективных ДНК-молекулярных инструментов, которые могут применяться в таких областях, как диагностика и целевая терапия.

Больше информации: Yan Jiang et al, Structural basis and affinity improvement for an ATP-binding DNA aptamer, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2506491122

Источник: Chinese Academy of Sciences

ИИ: Это значительный прорыв в структурной биологии, который открывает новые возможности для создания высокоточных диагностических систем и таргетной терапии. Улучшенные аптамеры могут найти применение в ранней диагностике заболеваний и разработке новых лекарственных препаратов.