核酸除了作为遗传信息载体外，还具有催化生化反应的功能。其中天然核糖核酸酶（Ribozymes）已被写进教科书而为人们所熟知，而天然脱氧核糖核酸酶（DNAzymes）还没有被发现。我组长期致力于探索天然DNA分子的催化功能，立志于发现DNA催化的生命化学反应。由于G-四链体核酸（G4-DNA）具有很高的热稳定性，极其丰富的构象多态性，且在很多生命体基因组中广泛存在而成为我们的主要研究对象。
近期，我组在G4-DNA催化功能研究方面取得进展，报道了首例具有两个独立DNA结构单元的DNAzyme，相关研究工作发表在《化学科学》（Chemical Science）上。我们使用的是天然人端粒末端重复序列d(TTAGGG)形成的分子内G4-DNA，它与辅因子血红素共同构成具有类氧化酶活性的DNAzyme。高浓度钾离子可以显著促进该G4-DNA在其3'末端发生非共价键堆积，并大大提高反应活性。综合SEC-HPLC, PAGE，NMR和序列突变实验结果，发现血红素分子恰好位于两个G4-DNA结构的堆积界面，其中一个G-平面作为近端配体激活血红素活性，另一个G-平面作为远端配体促进高活性中间物种的生成。这种独特的“三明治”结构（见下图）是其具有高活性的重要原因。该催化体系涉及的所有物质（催化剂，底物和产物）均为天然分子，尽管还不能算作是天然DNAzyme的发现（在试管而非细胞中），但该工作为我们下一步寻找或设计高效的DNAzyme提供了新的思路。
除了上述研究进展外，我组前期研究发现G4-DNA能够催化不对称Diels-Alder反应（ Angew. Chem. Int. Ed., 2012; ChemBioChem, 2015; Chem. Commun., 2015;Chem. Sci., 2015;ChemBioChem, 2018; Biochimie, 2018;）和Friedel-Crafts（Chem. Commun., 2012;）反应。此外，我组在拓展DNA酶催化反应类型方面也有重要进展，分别报道了首例基于DNA催化剂的不对称氧化反应（Chem. Commun., 2016;）和不对称环丙烷化反应（ACS.Catal., 2020;）。
该工作的第一作者是博士生程昱和程明攀博士。法国勃艮第大学的David Monchaud教授参与了文章的修改和撰写。该工作得到了国家重点研究计划项目和国家自然科学等基金的支持。
（文/图 程昱、程明攀）
