核酸中金介导碱基配对：氧化态依赖的金离子与天然及硫代羰基修饰胞嘧啶的选择性配位

本综述系统探讨了金离子（Au(I)与Au(III)）在核酸碱基配对中的选择性配位机制。研究通过X射线晶体学首次解析了C–Au(I)–C碱基对及C–G–Au(I)–C碱基四联体的结构，并证明硫代胞嘧啶（2-thiocytosine）可与Au(III)形成热稳定性显著增强的平面四方配位结构。该工作为氧化态选择性金属配位提供了结构指导策略，对设计金属响应性DNA（脱氧核糖核酸）架构具有重要推动意义。

引言

金属介导的核酸碱基配对作为构建结构明确、功能可调的DNA（脱氧核糖核酸）材料的重要策略，近年来受到广泛关注。研究表明，汞离子（Hg(II)）可选择性结合T–T错配，而银离子（Ag(I)）优先结合C–C错配。金离子（Au(I)）因其线性配位几何与Hg(II)和Ag(I)相似，理论上具备介导碱基配对的潜力，但由于金氧化态控制困难，其相关研究仍处于探索阶段。

C–Au(I)–C碱基对的结构

研究团队通过将含C–C错配的RNA（核糖核酸）链（RNA-C₄C₉）与AuCl₃共结晶，成功解析出C–Au(I)–C碱基对的晶体结构。该结构中金离子以线性方式与两个胞嘧啶的N3原子配位，键长为2.0–2.3 Å，与双吡啶金(I)配合物的数据一致。值得注意的是，结晶过程中Au(III)被原位还原为Au(I)，这一过程可能由鸟嘌呤等富电子碱基或缓冲液中的多胺类物质介导。该碱基对的螺旋扭转角（-32.0至-18.5°）明显大于典型Watson-Crick碱基对，与既往报道的Hg(II)和Ag(I)介导碱基对结构特征相似。

C–G–Au(I)–C碱基三联体的意外形成

在DNA-C₆C₇与AuCl₃的共结晶结构中，双链发生显著变形，中心区域形成四个C–G–C碱基三联体。其中，C₆–Au–G₈通过N3(C)–Au(I)–N7(G)线性配位构成金介导碱基对，键长缩短至1.8–1.9 Å。该结构中胞嘧啶N3原子需质子化以形成顺式Watson-Crick/Hoogsteen氢键，揭示了金离子在复杂核酸结构中的多样配位模式。

C–Au(I)–C碱基对的热力学评估

由于水溶性Au(I)前体的动力学惰性或水溶性差，通过熔解温度（T_m）分析评估Au(I)配位对双链稳定性的贡献存在技术困难。实验显示，添加AuCl₃并未显著改变含C–C错配DNA双链的T_m值（44 °C），但高温区吸光度平台下移，暗示原位还原可能诱导了细微结构变化。

Au(III)与硫代羰基修饰胞嘧啶的配位

引入2-硫代胞嘧啶（^2SC）后，DNA-^2SC₆^2SC₇与AuCl₃形成A型双链结构，其中金离子以平面四方几何与两个^2SC的N3和S2原子配位。Au(III)–S键长（2.3–2.4 Å）较短，而Au(III)–N3键长（2.8–2.9 Å）较长，表明硫原子主导了强配位作用。熔解实验显示，AuCl₃的加入使含^2SC–^2SC错配双链的T_m显著升高，且当金离子当量不足时熔解曲线呈双相，证实了^2SC–Au(III)–^2SC碱基对的形成需化学计量比参与。

结论

本研究通过晶体学和热力学分析，证实了金离子氧化态及其与天然或修饰碱基的配位选择性，为核酸中金属介导碱基配对提供了结构指导策略。该发现不仅拓展了金属核酸化学的认知边界，还为开发氧化态响应性DNA纳米结构、生物传感器及功能材料奠定了理论基础。

实验方法

研究合成了含2′-O-甲基-2-硫代胞嘧啶的寡核苷酸，并通过磷酰胺酯法进行固相合成及后修饰。晶体学数据在Photon Factory同步辐射光源收集，采用单反常散射和分子置换法解析结构。熔解温度分析使用紫外分光光度计，在含MOPS（pH 7.0）和NaClO₄的缓冲体系中进行。