来自伊利诺斯大学厄巴纳香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）、霍德华休斯医学院以及埃默里大学（Emory University）的研究人员利用一种高度敏感的技术发现了一种铅特异性脱氧核酶（a lead-specific DNAzyme）利用“锁-钥匙”模式反应的机制——这不同于其它的脱氧核酶，由于存在锌离子或镁离子，同样的脱氧核酶利用的是“诱导契合（induced fit）”模式机制。
这一研究成果公布在《自然—化学生物学》（Nature Chemical Biology）杂志上，文章的通讯作者是伊利诺斯大学的鲁毅（Yi Lu）教授，以及HHMI知名的研究员Taekjip Ha教授，前者早年毕业于北京大学，主要研究兴趣在于研究蛋白和核酸分子作用过程中金属离子的功能。
Yi Lu表示，“锁-钥匙机制解释了为什么这种铅特异性的脱氧核酶能进行如此灵敏和选择性强的应答”，“加深结构改变和反应之间关系的了解对于我们进一步研究脱氧核酶如何工作的，以及设计更有效的感应器来说都是十分重要的。”
早在20世纪80年代，科学家们发现RNA分子能催化酶反应，并将之命名为核酶，之后又发现DNA也可以作为一种酶作用，命名为脱氧核酶(deoxyribozyme或DNAzyme)，其发现是人类对于酶的认识的又一次重大飞跃。
核酸类酶（nucleic acid enzymes）仅仅只有四种核苷分子——不用于蛋白有20种，因此也许需要补充一些辅助分子（cofactors），其中金属离子就是一种天然的选择，而且实际上大部分核酸类酶都需要金属离子辅助生理条件下的酶反应（因此也称为金属酶）。
金属酶利用不同的模式行使功能，包括金属依赖性结构改变（诱导契合模式），以及另外一些不需要结构改变的模式（锁-钥匙模式）。相反，大部分核酶都需要在酶反应之前发生结构改变。
研究人员在一种称为单分子荧光共振能量转移（single-molecule fluorescence resonance energy）技术的基础上在靶标分子上加上了两种染料分子——绿色和红色，然后用激光激活，这样一些能量从绿色染剂转移到了红色染剂，转移的多少依赖于两种染剂的距离。
Ha表示，“两者强度的改变比例就说明了两种染剂分子的相对运动”，“通过模拟这两种染剂的明亮程度，我们就可以在纳米精度上检测结构改变了。”
这样研究人员发现，当存在锌离子或镁离子的时候，脱氧核酶就会发生结构改变，之后即进行剪切反应（类似于许多蛋白和核酶），但是当存在铅的时候，这种剪切反应就不需要结构变化。
Lu表示，“这证明了铅特异性酶利用的是锁-钥匙反应机制”，“这种脱氧核酶好像预先接受了铅”。
“我们认为这一研究结果说明更快更灵敏的感应器是属于锁-钥匙模式机制的”，“下一步我们将需要其它采用锁-钥匙模式的金属离子特异性脱氧核酶，而且，我们希望研究金属绑定位点的结构细节，以及观测在催化过程中，它们是如何变化的。”
原始出处:
Nature Chemical Biology 3, 763-768 (2007)
doi:10.1038/nchembio.2007.45
Dissecting metal ion–dependent folding and catalysis of a single DNAzyme
Hee-Kyung Kim1, Ivan Rasnik2,4, Juewen Liu1, Taekjip Ha2,3 & Yi Lu1
Protein metalloenzymes use various modes for functions for which metal-dependent global conformational change is required in some cases but not in others. In contrast, most ribozymes require a global folding that almost always precedes enzyme reactions. Herein we studied metal-dependent folding and cleavage activity of the 8–17 DNAzyme using single-molecule fluorescence resonance energy transfer. Addition of Zn2+ and Mg2+ induced folding of the DNAzyme into a more compact structure followed by a cleavage reaction, which suggests that the DNAzyme may require metal-dependent global folding for activation. In the presence of Pb2+, however, the cleavage reaction occurred without a precedent folding step, which suggests that the DNAzyme may be prearranged to accept Pb2+ for the activity. Neither ligation reaction of the cleaved substrates nor dynamic changes between folded and unfolded states was observed. These features may contribute to the unusually fast Pb2+-dependent reaction of the DNAzyme. These results suggest that DNAzymes can use all modes of activation that metalloproteins use.
Department of Chemistry, University of Illinois at Urbana-Champaign, 600 South Mathews Avenue, Urbana, Illinois 61801, USA.
Department of Physics, University of Illinois at Urbana-Champaign, 1110 West Green Street, Urbana, Illinois 61801-3080, USA.
Howard Hughes Medical Institute, 1110 West Green Street, Urbana, Illinois 61801, USA.
Present address: Emory University, Department of Physics, 400 Dowman Drive, Atlanta, Georgia 30322-2430, USA.
Correspondence to: Taekjip Ha2,3 Email: tjha@uiuc.edu
Correspondence to: Yi Lu1 Email: yi-lu@uiuc.edu
