G-quadruplex-forming aptamer enhances the peroxidase activity of myoglobin against luminol.
G-quadruplex-forming aptamer enhances the peroxidase activity of myoglobin against luminol.
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DOI：
10.1093/nar/gkab388
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发表时间：
2021-06-21
影响因子：
14.9
通讯作者：
Ikebukuro K
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Tsukakoshi K;Yamagishi Y;Kanazashi M;Nakama K;Oshikawa D;Savory N;Matsugami A;Hayashi F;Lee J;Saito T;Sode K;Khunathai K;Kuno H;Ikebukuro K
核酸适体可以控制酶的生物学功能，从而促进新型生物传感器的开发。虽然发现了抑制酶的催化反应的适体，并将其用作生物传感器中感测靶分子的信号转导子，但尚未鉴定出放大酶活性的适体。在这项研究中，我们报告G-四链体（G4）形成的DNA适体，上调特异性鲁米诺肌红蛋白的过氧化物酶活性。使用体外选择，发现了一种G4形成适体，其通过肌红蛋白的过氧化物酶活性增强鲁米诺的化学发光。通过我们的策略-计算机模拟成熟，这是一种遗传算法辅助的序列操作方法，通过将突变引入适体序列来提高适体的增强活性。最好的适体保守的平行G4属性与超过300倍更高的鲁米诺化学发光的过氧化物酶活性比单独的肌红蛋白在最佳pH值为5.0。此外，使用氯化血红素和氯化血红素结合适体，我们证明了G4适体与肌红蛋白中的血红素的结合特性可能是发挥增强效应所必需的。其中一个适体的结构测定揭示了具有螺旋桨样环的平行型G4结构，这可能有助于利用G4适体-肌红蛋白对合理设计适体传感器。
Aptamers can control the biological functions of enzymes, thereby facilitating the development of novel biosensors. While aptamers that inhibit catalytic reactions of enzymes were found and used as signal transducers to sense target molecules in biosensors, no aptamers that amplify enzymatic activity have been identified. In this study, we report G-quadruplex (G4)-forming DNA aptamers that upregulate the peroxidase activity in myoglobin specifically for luminol. Using in vitro selection, one G4-forming aptamer that enhanced chemiluminescence from luminol by myoglobin's peroxidase activity was discovered. Through our strategy—in silico maturation, which is a genetic algorithm-aided sequence manipulation method, the enhancing activity of the aptamer was improved by introducing mutations to the aptamer sequences. The best aptamer conserved the parallel G4 property with over 300-times higher luminol chemiluminescence from peroxidase activity more than myoglobin alone at an optimal pH of 5.0. Furthermore, using hemin and hemin-binding aptamers, we demonstrated that the binding property of the G4 aptamers to heme in myoglobin might be necessary to exert the enhancing effect. Structure determination for one of the aptamers revealed a parallel-type G4 structure with propeller-like loops, which might be useful for a rational design of aptasensors utilizing the G4 aptamer-myoglobin pair.
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