華東師范大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室陳縉泉團隊，針對表觀遺傳修飾位點多是DNA紫外光損傷突變熱點問題，建立模型表觀遺傳修飾DNA雙鏈分子（d(G5fC)9?d(G5fC)9），利用超快時間分辨光譜技術結合量子化學計算，首次在DNA雙鏈體系中揭示了電荷轉移三重態的超快生成過程。近期，該研究成果以"Ultrafast Formation of a Delocalized Triplet-Excited State in an Epigenetically Modified DNA Duplex under Direct UV Excitation"為題發表在Journal of the American Chemical Society上。
華東師范大學為論文第一完成單位，王雪力副研究員和Lara Martínez-Fernández助理教授為該工作的共同第一作者。意大利國家科學研究中心生物結構與生物成像研究所Roberto Improta教授為該工作提供了理論計算支持，美國俄亥俄州立大學Bern Kohler教授為紅外光譜測試提供了幫助。
華東師大陳縉泉教授團隊在表觀遺傳修飾DNA紫外光誘導超快動力學機理研究領域取得進展
在基因組DNA序列中存在部分具有微小化學結構變化的核酸堿基，這些堿基在基因表達的表觀遺傳調控中起到至關重要的作用。然而，近年來的研究顯示該類堿基會對DNA紫外光穩定性產生威脅。在由于紫外光誘發的皮膚癌中，有大約30%突變位點與該類堿基有關。然而，相關的反應機制尤其是反應初期的激發態動力學過程尚不明晰。該研究團隊前期研究主要聚焦于5-醛基胞嘧啶堿基分子。研究顯示，該分子受到光激發后發生系間竄躍的速率可達到1011s-1，三重態產率接近100%。（J. Phys. Chem. B 2019, 123, 5782；Chem. Eur. J.2021, 27，10932-10940）這些特性表明5-醛基胞嘧啶可能作為內源性光敏劑誘導DNA中光損傷的產生。
在本項研究中，建立由鳥嘌呤和5-醛基胞嘧啶組成的模型DNA雙鏈結構。圖1（A-B）展示了285nm激發d(G5fC)9?d(G5fC)9雙鏈的飛秒時間分辨的瞬態吸收光譜數據。結果顯示，紫外光激發態激發d(G5fC)9?d(G5fC)9雙鏈后，會在小于20ps的時間內產生三重態，三重態量子產率為8 ± 3%。這與未進行表觀遺傳修飾DNA的超快激發態弛豫過程形成鮮明的對比（圖1C-D）。
圖1. 285nm激發d(G5fC)9?d(G5fC)9雙鏈（A-B）和d(GC)9?d(GC)9雙鏈（D）的飛秒瞬態吸收光譜
進一步利用時間分辨的中紅外指紋光譜和量子化學計算（如圖二所示），通過追蹤特征峰以及它的動力學過程，揭示了三重態來自于局域于5-醛基胞嘧啶的3ππ*態和離域的鳥嘌呤和5-醛基胞嘧啶之間的電荷轉移三重態。這些結果為進一步研究紫外線誘導表觀遺傳修飾核酸光損傷的分子機制提供了理論基礎。
圖2. （A）285 nm激發d(G5fC)9?d(G5fC)9雙鏈的時間分辨中紅外光譜。（B）具有代表性時間延遲下的實驗光譜與理論計算相關激發態光譜對比圖。（C）特征波數處的動力學曲線。
該研究得到了國家自然科學基金和上海啟明星項目的支持。同時，該工作得到了華東師范大學公共創新服務平臺——物質表征中心的支持。
附：
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c04567
來源｜精密光譜科學與技術國家重點實驗室、科技處 編輯｜毛宇彤 編審｜郭文君
