Kinetic and Thermodynamic Control of G-Quadruplex Polymorphism by Na+ and K+ Cations

化学 费斯特共振能量转移 结晶学 反平行(数学) G-四倍体 拓扑(电路) 动能 折叠(DSP实现) 蛋白质折叠 荧光 DNA 物理 生物化学 数学 量子力学 组合数学 磁场 电气工程 工程类
作者
D A Nicholson,David J. Nesbitt
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:127 (31): 6842-6855 被引量:20
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.3c01001
摘要

G-Quadruplexes (G4s) are ubiquitous nucleic acid folding motifs that exhibit structural diversity that is dependent on cationic conditions. In this work, we exploit temperature-controlled single-molecule fluorescence resonance energy transfer (smFRET) to elucidate the kinetic and thermodynamic mechanisms by which monovalent cations (K+ and Na+) impact folding topologies for a simple G-quadruplex sequence (5′-GGG-(TAAGGG)3-3′) with a three-state folding equilibrium. Kinetic measurements indicate that Na+ and K+ influence G4 formation in two distinctly different ways: the presence of Na+ modestly enhances an antiparallel G4 topology through an induced fit (IF) mechanism with a low affinity (Kd = 228 ± 26 mM), while K+ drives G4 into a parallel/hybrid topology via a conformational selection (CS) mechanism with much higher affinity (Kd = 1.9 ± 0.2 mM). Additionally, temperature-dependent studies of folding rate constants and equilibrium ratios reveal distinctly different thermodynamic driving forces behind G4 binding to K+ (ΔH°bind > 0, ΔS°bind > 0) versus Na+ (ΔH°bind < 0, ΔS°bind < 0), which further illuminates the diversity of the possible pathways for monovalent facilitation of G-quadruplex folding.
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