近日，国际化学领域顶尖期刊《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.），以内封面文章发表了由武汉大学化学与分子科学学院刘艺斌教授课题组、周翔教授课题组与北京大学化学与分子工程学院余志祥教授课题组合作完成的最新研究成果。
该论文题为“Mechanistic Insights into the Borane-Mediated Conversion of 5-Carboxylcytosine to Dihydrouracil in DNA Enable an Efficient Labeling Method Using Alkoxyamines”。武汉大学化学与分子科学学院博士生丁聪、硕士生王子鹏与北京大学化学与分子工程学院博士生李冰文为论文共同第一作者，刘艺斌教授、周翔教授和余志祥教授为共同通讯作者，武汉大学为第一署名单位。
DNA胞嘧啶的化学修饰在基因表达调控、癌症发生发展等生命过程中扮演着重要角色。TET辅助的吡啶硼烷测序(TAPS)是一种新兴的胞嘧啶修饰单碱基分辨率检测的方法，然而其依赖的关键化学反应5-羧基胞嘧啶(5caC)在吡啶硼烷作用下转化为二氢尿嘧啶(DHU)的机理尚不明确，限制了该技术的进一步优化与应用。
为攻克这一难题，研究团队综合运用同位素标记、底物衍生化、中间体捕获等实验手段，结合密度泛函理论（DFT）计算，成功揭示了5caC到DHU的转化经历了“还原-脱羧-水解”三个步骤，并首次确认了其中存在一个关键的二氢胞嘧啶（DHC）中间体。更为有趣的是，计算与实验均证实DNA双螺旋上相邻的5caC之间存在着“底物催化”效应，这一发现为该方法在双链DNA上的高效转化提供了坚实的理论依据。
基于对反应机理的深刻理解，研究团队提出了一个巧妙的“机理指导的标记策略”：通过引入高亲核性的烷氧基胺，在反应决速步DHC水解生成DHU的过程中，成功“拦截”了DHC中间体。这一新策略不仅极大地降低了反应能垒、缩短了反应时间，还高效地生成了可在测序中同样被读取为T的N4-取代二氢胞嘧啶（XDHC）。研究人员进一步利用带有“Click”化学接口的炔丙基羟胺，成功实现了对双链DNA上5caC的高效富集与单碱基分辨率检测，并通过点杂交实验首次验证了人胚胎干细胞（hESC）的DNA中含有5caC修饰。
该工作得到了国家自然科学基金和武汉大学科研启动经费的资助。武汉大学化学与分子科学学院大型仪器共享平台、武汉大学超算中心、北京大学高性能计算平台为此工作的开展提供了有力的支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c13154
编辑：肖珊
来源：武汉大学
