Cd是毒性最强的金属元素之一，可以通过不同的途径进入人体。长期暴露在镉污染的环境中，人体的骨骼、肾脏、呼吸系统以及生殖系统的功能都会受到严重的影响。因为对人类健康以及生态环境的严重威胁，镉污染受到了广泛的关注，多种Cd2+离子检测方法已经被报道。传统的Cd2+离子检测方法需要依赖复杂的仪器和样品预处理过程，检测的时长和成本都十分高，阻碍了其在实际检测中的应用。近年的研究发现一些DNA适配体对Cd2+具有强选择性和高亲和力，被广泛用于Cd2+探测器的开发，但是这些适配体识别Cd2+的分子机制仍不明确。
2023年4月4日，复旦大学甘建华课题组和纽约州立大学盛佳课题组合作在Nucleic Acids Research上发表了题为“Crystal structures and identification of novel Cd2+-specific DNA aptamer”的文章，报道了Cd2+与四种DNA适配体复合物的晶体结构，首次阐明了DNA适配体识别Cd2+的结构基础。
本研究中的Cd2+结合的DNA适配体（简称DNA1）全长为25个核苷酸，可分为两个区域：常规的碱基配对区域（Stem）以及Cd2+特异性结合的loop（CBL-loop）区域。其中Stem区域的长度可变，而CBL-loop则由9个核苷酸碱基组成。DNA1的整体结构与Cd2+模式均不同于其他重金属离子适配体，DNA1的CBL-loop采取了一种两侧扭转的构象，其中G9、C12与G16核苷酸的碱基平面上的N原子直接参与了Cd2+的结合。与两个水分子一起，形成了五配位的Cd2+结合模式。定点突变、圆二色谱实验和等温滴定量热实验均证明G9、C12以及G16位碱基对DNA1结合Cd2+至关重要。
CBL-loop区域的T11与A15碱基配对，稳定了Cd2+配位的G9碱基的构象。Stem区域的G8-C18碱基对则稳定了Cd2+配位的G16碱基。无论是破坏T11-A15还是G8-C18碱基对均会阻断DNA1对Cd2+的结合。T10与T17处于CBL-loop两侧的扭转区，
参与碱基配对以及Cd2+的直接配位。T10与T17可以被其他碱基替代，但删除则会大幅降低适配体结合Cd2+的能力，说明这两个碱基对适配体的折叠非常关键。CBL-loop区的A13与C14也不参与碱基配对，但对维持CBL-loop的构象与稳定很关键，其突变会在一定程度上影响适配体与Cd2+的结合力。
综上所述，通过特异性结合Cd2+的DNA适配体晶体结构的解析，本研究首次揭示了DNA适配体结合Cd2+的分子基础，这将为新型Cd2+探测器以及Cd2+驱动的DNA纳米器材的设计提供指导。
复旦大学甘建华教授、纽约州立大学盛佳教授为论文的通讯作者，复旦大学刘鹤华博士、高延清博士以及纽约州立大学Johnsi Mathivanan研究生为论文的共同第一作者。
原文链接：
https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkad239/7103210
