冉冉升起的科研新星，中国留学生的重大发现或将实现快速筛选抗癌药物

刘迪在实验室  图片来源:Joel Wintermantle, University of Chicago

如果一名学生在硕博连读期间就能够在其研究领域创造令人瞩目的技术性飞跃，又或者提出一些创新性发明对实际问题产生巨大影响力，这十分罕见，实属难得。而这位来自芝加哥大学化学系的博士生刘迪，恰恰两样都占。

P.S. 本文涉及的相关专业内容，DT君有幸请教到了刘迪本人做了校对，在此特表感谢！

刘迪及其他科学家们提出了一种构建微小的打结、互锁的化学分子拓扑结构的方法，该方法将有望实现快速筛选抗癌药物。

这在分子结构领域既是一种技术性的飞跃，又是一种创新性的发明。

7月4日，其研究结果《Creating complex molecular topologies by configuring DNA four-way junctions》发表于《自然·化学》（Nature Chemistry）杂志。

很多化学分子都具有结状和链状结构，但是在分子尺度合成打结的新型化学分子拓扑结构却异常困难。论文的作者之一，芝加哥大学化学系助理教授尤西·威茨曼（Yossi Weizmann）说：“在此之前无人能够做到这些复杂分子拓扑结构。刘迪所做的是一件极具挑战性的工作。”

然而，挑战性正是吸引刘迪的地方。

刘迪说：“有人想要跑得更快，有人想要跳的更高，而化学家却梦想着构造更加复杂的分子结构，因为分子结构复杂度代表着化学家的能力。”

刘迪及其所在的威茨曼团队提出一种基于DNA分子拓扑结构的创新合成方法，能够在单链DNA分子中构建各种各样的微小结状拓扑结构，直径大概有15到20 纳米（小于病毒分子尺寸）。

纽结和链环在生活中无处不在。图片来源：pixabay.com

看似平常的纽结和链环，却是物理和生物科学领域永恒的主题。在分子尺度实现复杂分子拓扑结构的设计，在化学界是一个相当大的挑战，这不仅需要高精度的操控分子间相互作用而成结，还要控制一定的成结位置和手性（注：手性是指物体与其镜像不重合的特性，典型的例子即为人的手和脚）。

刘迪2011年本科毕业于南京大学化学系，本科期间在郭子建老师课题组研究设计能够光激活的铂类抗癌药物。本科的所有学科平均绩点94/100，专业课96/100。

同年刘迪赴美国芝加哥大学化学系攻读博士学位，目前研究的课题是核酸纳米技术及其在生物医学的应用，预计今年年底毕业。研究生期间平均绩点为4.0/4.0。

此外，刘迪目前受霍华德·休斯医学研究所国际学生奖学金（HHMI International Student Research Fellowship）的支持。

超螺旋DNA分子结构

生物学领域最天然的拓扑结构就是DNA分子结构。DNA分子具有可编程特性，并且在活细胞生物过程如基因复制、转录和重组过程中DNA分子拓扑结构扮演重要的意义，这使得DNA分子成为构造复杂拓扑结构化学分子最适用的分子模板。

DNA分子链本身非常长，其自身会盘绕成超螺旋结构以适应细胞核的大小。这种超螺旋态就是一种类似于打结的效应，就像把一段长绳来回穿梭缠绕，DNA分子的片段来回收缩、缠绕回自身的主链，这种紧实的超螺旋结构影响着DNA的功能。

图片来源：top10latest.com

当DNA分子进行复制时，DNA拓扑异构酶将剪断并解开DNA超螺旋结构，释放DNA链中的张力。紧接着，剪断的DNA片段末端会重新聚合以保证DNA的功能性。该过程是如此的复杂，以至于该酶的发现者—哈佛大学王卓（James Wang）—称赞它为“DNA世界的魔术师”。正是该过程显示了DNA拓扑异构酶能够作为抗癌药物的首要靶标：如果癌细胞中的DNA拓扑异构酶失效了，这将影响癌细胞正常的DNA功能，那么癌症细胞必死无疑。

刘迪及其所在的威茨曼团队设想利用这种打结的DNA分子拓扑结构作为探针来探测拓扑异构酶的活性，进而研究癌细胞在抗癌药物作用下的响应，以此来筛选有效的抗癌药物。

设计思路

刘迪及其所在的威茨曼团队极具策略性的设计了一系列单链DNA骨架链序列，以及一些短的分别被称为“订书钉”和“夹板”的辅助DNA链。“订书钉”链用于将DNA骨架折叠并打结，一旦这些打结形成了，“夹板”用来将骨架首尾连接起来。然后DNA连接酶将DNA骨架链的末端封闭成环，再用DNA外切酶将这些辅助的“订书钉”和“夹板”链移除，最终获得一系列复杂的打成结的DNA拓扑结构。

其中，由于组成DNA核苷酸分子的四种碱基对—腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）和鳥嘌呤（G）—遵循严格的互补配对规律： A-T和C-G。所以，通过设计“订书钉”链的核苷酸序列，研究人员就能够高精度的操控“订书钉”链所要结合的骨架链的精确位置，为构造复杂拓扑结构提供了一种精确地操控手段。

基于“DNA四向分叉”的构建拓扑结构的方法。（a）在“DNA四向分叉”结构（左为螺旋示意图，中为简化示意图）里，其中的两条DNA链可以形成一个结点（右），可以用来构建DNA拓扑结构。（b）DNA三叶结（TK）。（f）DNA霍普夫链环（HL）。（k）DNA博罗梅安环(BR)。构造过程均是通过“订书钉”链（灰色）将DNA骨架链（黄色）相互穿过，并通过“夹板”链（绿色）将端部封闭，连接酶连接后最终形成DNA拓扑结构。图片来源： DOI: 10.1038/NCHEM.2564

论文中，刘迪及其所在的威茨曼团队设计并利用了一种称为“DNA四向分叉”的特有拓扑性质来构造多种单链DNA纽结和链环结构。“DNA四向分叉”指的是两个DNA螺旋链相互缠绕形成“X”形结构，在小片段 “订书钉”结构的作用下连接形成分叉结构。这种“DNA四向分叉”作为基本构型，易于构造和连接成其他更加复杂的拓扑结构。

双环及三环链DNA拓扑异构体结构。（a）左边为怀特黑德链环(WL)，中间为所罗门链（SL），右边为霍普夫链环（HL）。（b）左边为环状三连环体（Ti-C3C），右边为线性三连环体（Ti-L3C）。图片来源：DOI: 10.1038/NCHEM.2564

刘迪团队基于“DNA四向分叉”的方法，构造了多达9种不同的拓扑结构，其中包含了三个系列的具有相同序列但不同形状和手性的单链DNA拓扑异构体，如DNA三叶结（TK，Trefoil Knot）、DNA霍普夫链环（HL，Hopf Link）等以及更加复杂的所罗门链（SL，Solomon Link）、DNA博罗梅安环（BR，Borromean Rings）、怀特黑德链环（WL，Whitehead Link）和三环体结构。这其中，怀特黑德链环（WL, Whitehead Link）是国际上首次在分子尺度实现，同时这也是第一次实现具有真正的博罗梅安环（BR， Borromean Rings）拓扑结构DNA分子。

通过进一步设计打结的曲率和扭曲的方式，并将互补DNA链与打结的单链DNA模板杂合、连接，还能够获得更加复杂的双链DNA结。刘迪承认说：“其中一些结构仅仅是为了炫耀我们能够做到这一点的满足感。

不断地测试、再测试

这些结状拓扑结构能够模拟活细胞中DNA分子结构的行为和功能，即提供了一种可能的工具用于探测并攻击影响癌症细胞存活的关键靶向酶。

在包含结状拓扑结构DNA分子的小份试液中引入DNA拓扑异构酶，拓扑异构酶将剪断结状结构，解开缠绕的链，并将末端封闭形成一个圆环，这个过程称为“解结”。所以，加入拓扑异构酶后试液中剩余的结和“解结”形成的圆环的相对数量表示了酶在“解结”过程中有多大活性，显然，圆环越少证明酶的活性越低。

双螺旋链缠绕在组蛋白上，图片来源：wikipedia

测试一种潜在的抗拓扑异构酶药物，研究者只需要在引入药物前后做测试对比分析实验，以检测药物是否抑制了酶活性。

然而，对于此类分析试验，化学家通常使用的典型测试手段—凝胶电泳—速度慢，效率低，对于大规模筛选药物根本不实用。

于是，刘迪及其所在的威茨曼团队发明了一种新型替代方法。

刘迪意识到根本不需要真正的看到结状结构和圆环结构本身，只需要看酶解结后留下的证据即可表征酶的活性。具体来说，由于圆环状DNA分子结构能够自我复制，而打结的DNA分子拓扑结构不能进行复制，所以我们只需要专注于寻找DNA分子复制的证据即可表征圆环结构的数量，进而表征在药物作用下酶的活性。值得注意的是，DNA复制通过荧光染色极易检测。这种方法免于做复杂的电泳分析，大大简化了分析试验的过程，能够用于针对该拓扑异构酶的高通量药物筛选。

接下来，刘迪和威茨曼团队计划从FDA批准的试剂开始着手测试一个化学试剂库。

威茨曼说，“我们有成千上百的可用化学试剂。成功的话，我们就进一步深入研究；如果我们没找对，那就再去找其他的。这是一个试错的过程，而好处就在于这种方法操作非常简单，我们有能力进行成千上百次试验。”

参考：Di Liu et al. Creating complex molecular topologies by configuringDNA four-way junctions, Nature Chemistry (2016). DOI: 10.1038/nchem.2564

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