以雙面神的名字命名，新開(kāi)發(fā)的Janus核酸識(shí)別元件通過(guò)同時(shí)接觸兩條鏈，以雙鏈DNA或RNA為目標(biāo)。當(dāng)在合成結(jié)構(gòu)單鏈蛋白核酸(PNA)中串在一起時(shí)，Janus元素可以以序列特異性的方式與自然目標(biāo)結(jié)合。更重要的是，Janus元件，像Janus自己一樣，在同一時(shí)間回顧和展望最近PNA的一系列改進(jìn)，并展望基因編輯和基因表達(dá)調(diào)控的新開(kāi)放可能性。

Janus元素是由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)化學(xué)教授Danith Ly博士領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的。在此之前，Ly博士領(lǐng)導(dǎo)了gamma PNAs的開(kāi)發(fā)工作，它在側(cè)鏈上包含了一個(gè)聚乙二醇基團(tuán)。這一創(chuàng)新使得gamma PNA具有水溶性和生物相容性，這意味著它不會(huì)以非特異性的方式與蛋白質(zhì)和其他生物分子結(jié)合。

此外，聚乙二醇基團(tuán)的特殊立體化學(xué)將PNA預(yù)先組織成一個(gè)右手螺旋基，使其更容易與DNA結(jié)合。因此，可以編程使伽瑪- PNAs與致病的遺傳物質(zhì)(DNA或RNA)結(jié)合，使其能夠搜索有害的序列并與之結(jié)合，以防止基因發(fā)生故障。

在新的研究中，由Dr. Ly領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)將伽瑪PNA推進(jìn)到一個(gè)新的細(xì)化階段，即Janus伽瑪PNA，其中包含了雙面孔識(shí)別的Janus元素。雙面孔識(shí)別的概念最初是由諾貝爾獎(jiǎng)得主Jean-Marie Lehn博士在20多年前提出的，他在超分子化學(xué)領(lǐng)域的研究工作廣為人知，此后該領(lǐng)域的其他研究人員也對(duì)此進(jìn)行了闡述。

這項(xiàng)研究的進(jìn)展受到兩個(gè)障礙的阻礙。首先，研究人員只能制造少量的Janus堿基，而這些堿基在形狀和大小上差異很大。這些局限性意味著不同的Janus堿基只能識(shí)別同一組堿基對(duì)的重復(fù)序列，不能像構(gòu)建塊一樣一起用于識(shí)別DNA或RNA中更復(fù)雜的序列。其次，為規(guī)范堿基對(duì)合成Janus堿基比較困難。Janus堿基兩邊的互補(bǔ)性使得分子雜交并結(jié)合在一起，阻止它們結(jié)合到DNA和RNA中。

李博士的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)克服了這些障礙，他們?cè)谧罱l(fā)表在《通訊化學(xué)》(Communications Chemistry)雜志上的一篇文章(“雙螺旋DNA的形狀選擇性雙臉識(shí)別”)中發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。

“我們已經(jīng)證明，含有一組選定的Janus堿基的gamma PNA可以被開(kāi)發(fā)出來(lái)，并且可以在不進(jìn)行自雜交的情況下雜交到DNA雙螺旋的兩條鏈上，”Ly博士及其同事指出。總的來(lái)說(shuō)，雙臉識(shí)別模式是通用的，不僅適用于雙螺旋DNA，也適用于RNA。由于它們的緊密結(jié)合，短得多的探針有可能用于靶向RNA的二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)。

Ly博士和他的同事們創(chuàng)造了16種雙面核酸識(shí)別元件，以與遺傳密碼中可能存在的每一種核基組合(標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn))相結(jié)合。Janus gamma PNAs可用于識(shí)別堿基對(duì)的任何組合，也可用于檢測(cè)和結(jié)合復(fù)雜的遺傳序列。

作為L(zhǎng)y博士團(tuán)隊(duì)的博士后，Shivaji Thadke設(shè)計(jì)了一種新的溶液和固相合成方法來(lái)開(kāi)發(fā)Janus伽馬PNAs。他還在伽馬PNA的主干中運(yùn)用了螺旋預(yù)組織固有的一種技巧，以防止自互補(bǔ)的Janus堿基彼此雜交。

這些新的Janus伽馬PNAs具有極高的結(jié)合能，是第一個(gè)能夠在生理相關(guān)的離子強(qiáng)度和溫度下侵入標(biāo)準(zhǔn)堿基對(duì)DNA或RNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的分子。

當(dāng)雙鏈DNA和RNA分子“呼吸”時(shí)，堿基對(duì)之間的鍵會(huì)打開(kāi)幾分之一秒。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，Janus PNA將自己插入分離的鏈之間。如果堿基對(duì)不匹配，Janus PNA就會(huì)從DNA分子中噴射出來(lái)。但是如果它們匹配，Janus PNA就會(huì)和分子的兩條鏈結(jié)合。

Janus伽馬PNAs具有廣泛的生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)用途。它們可以被設(shè)計(jì)為靶向基因組DNA進(jìn)行基因編輯和轉(zhuǎn)錄調(diào)控。它們也可以被設(shè)計(jì)成與RNA的二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)結(jié)合，這是傳統(tǒng)的反義試劑和小分子配體所不能做到的。例如,Janus伽馬PNAs程序綁定到RNA-repeated擴(kuò)張,這可能導(dǎo)致新的治療一些神經(jīng)肌肉和神經(jīng)退行性疾病,包括肌強(qiáng)直性營(yíng)養(yǎng)不良1型和亨廷頓氏舞蹈癥,或非編碼RNA,包括病原體的核糖體和端粒酶RNA,應(yīng)對(duì)基因和傳染病。