近日，上海交通大学微生物代谢国家重点实验室赵一雷教授课题组分别在综合性权威杂志《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》和物理化学专业期刊《Physical Chemistry Chemical Physics》上发表了两篇关于硫修饰DNA中“硫-碘”强卤键和“硫-氮^Pro”弱硫键的研究成果，题目分别为“Origin of iodine preferential attack at sulfur in phosphorothioate and subsequent P-O or P-S bond dissociation”（PNAS, 2022, 119(17):e2119032119）、“Molecular recognition between bacterial phosphorothioate DNA and sulfur-binding domain (SBD): competition |between the water cage and chalcogen-hydrophobic packet”（PCCP, 2022, 24: 9176 - 9187）。PNAS工作阐明了磷硫酰化修饰位点与碘分子之间超强“硫-碘”卤键引发了一系列化学反应，导致在硫修饰位点发生DNA骨架剪切或硫氧转化，揭示了在碘切法深度测序中硫修饰位点高选择性剪切的分子机制；PCCP工作阐明了硫结合蛋白SBD利用脯氨酸的非氢键骨架氮的特殊电子结构高效区分正常DNA和硫修饰DNA，提出了“硫键-疏水”协同推拉分子识别机制。

碘切反应对DNA磷硫酰化修饰位点具有高度敏感性，广泛用于硫修饰细菌的DNA凝胶电泳检测、深度测序和单分子测序。尽管其广泛应用潜力，但切割机制并不清晰，一直以来并不清楚是否每个磷硫酰化修饰位点都被准确且完全切割。研究团队从碘切实验现象出发，利用高阶电子密度泛函理论计算揭示了碘分子通过超强的“硫-碘”卤键与硫修饰DNA中硫原子化学选择性结合，转化为磷酸三酯类似物中间体而引发修饰位点的磷-氧键水解断裂，因而硫修饰DNA的碘切割效率受限于硫氧转化的旁路竞争。该成果为进一步研发硫修饰DNA的碘法精准深度测序提供了理论基础。

在生物体内硫修饰DNA通过与蛋白质相互作用实现诸如表观遗传调控、限制性修饰等特殊的生理功能。虽然在反义RNA药物开放中广泛使用硫磷化修饰以增强对血浆、细胞表面和细胞内蛋白质的结合亲和力，但生理性DNA硫修饰的分子识别机制与已知的人工设计核酸药物迥然不同。基于限制性内切酶ScoMcrA的共晶体结构，研究团队利用热力学积分计算纠正了广为流传的“硫疏水性”驱动，阐明了正常DNA的强水合作用和硫修饰DNA的弱水合作用是PT-DNA进入蛋白疏水空穴的主要驱动力，并从中发现了独特的“硫-氮^Pro”硫键弱相互作用，它只存在于天然的硫修饰DNA和SBD蛋白的复合物中，而不存在于任何已知的人工合成硫代磷酸核苷酸和药物靶标蛋白的复合物中。这种非共价相互作用是由P-S键的σ*反键轨道与脯氨酸残基的氮孤对之间的电子离域形成的，其特征为超近的S---N距离和线性P-S---N夹角。这项研究为基于SBD硫识别蛋白、PT-DNA引导的基因编辑分子机器提供了理论基础。

PNAS论文中上海交通大学博士生黄强、李甲乙和美国加州大学洛杉矶分校博士生Gina Young Lee为共同第一作者，赵一雷教授和中国科学院外籍院士Houk K. N.教授为共同通讯作者；PCCP论文中博士生李甲乙为第一作者，赵一雷教授、刘光博士为共同第一作者及共同通讯作者。

上述研究得到国家重点研发计划、自然科学基金面上项目、教育部代谢与发育科学国际合作联合实验室的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2119032119；

https://doi.org/10.1039/D2CP00291D；