综述：利用光开关动态控制核酸的自组装和表达

《Chemistry – A European Journal》：Dynamic Control of Nucleic Acids Self-Assembly and Expression Using Photoswitches

　　摘要

合成核酸现已变得易于获取，并且在材料科学中成为了多功能的构建块——它们可以用于设计DNA折纸结构；在生物技术领域中，它们作为生物活性实体发挥作用。因此，开发能够对外部控制其功能的化学方法变得非常有趣。在这方面，光开关引起了极大的兴趣，因为光是一种可以有效且精确地施加时空刺激的良性刺激。在这篇综述中，我们展示了光开关设计的最新进展，这些光开关具有更好的性能，并强调了它们与核酸结合的选定应用。

我们在此回顾了分子光开关设计的最新进展，并强调了它们在动态控制核酸自组装和表达方面的应用。

1 引言
以可逆的方式控制生物分子的结构及其相互作用，从而调节活细胞中发生的复杂过程，是化学生物学、生物物理学和生物医学交叉领域的一个主要科学目标[1-3]。作为一种外部刺激，光是一种易于使用的触发器，可以用来非侵入性地（在广泛的波长范围内）控制特定的光开关分子。重要的是，通过分子设计可以精确调节实现光开关所需的波长和光强度，以达到治疗窗口[4]。在考虑将光开关与核酸结合时，应该避免使用高能紫外线，因为它们可能会导致核酸的光降解和交联。此外，用于激活光开关的光强度和光照时间也可以精确调节，从而允许控制光开关的激活程度，从而实现对特定位置（空间控制）的光敏系统的渐进或部分激活[5]。由于光开关具有响应光刺激而可逆地调节结构和化学性质的唯一能力[6-8]，它们在生物应用中引起了极大的兴趣。这为生物学和医学应用提供了几个优势，例如时间和空间定义的生物过程调控（如酶活性、离子通道功能和基因表达）；控制光药理学中的药物活性；调节智能材料和纳米结构中的材料性质；以及开发光控催化剂和分子机器。在此背景下，研究人员已将光开关引入到生物活性化合物中[9]，包括合成核酸和核酸结合配体。在这篇简短综述中，我们重点介绍了利用光开关来控制核酸结构和功能的最新进展。首先，我们描述了常用的和最近开发的光开关，这些光开关可用于用光调节生物分子结构，特别是与核酸的结合。然后，我们讨论了使用光开关对核酸进行共价修饰的方法，例如用于控制DNA-DNA杂交过程。我们还报告了通过超分子相互作用与核酸结合的光开关的设计，以及它们在调控自组装动态方面的应用，旨在形成更高层次的DNA结构。最后，我们总结并提出了在生物学与化学交叉点上可能的改进和应用方向，以服务于健康科学。

2 用于生物应用的分子光开关
已经设计出了多种可以在照射下发生可逆构象变化的合成光开关。在这一部分，我们介绍了一些具有有趣光学特性的光开关基团，这些特性包括激发波长、光稳态（PSS）和半衰期（t?），使它们在与核酸的相互作用中变得有趣（见图1）。讨论强调了结构效应，这些效应使得可以调节它们的光学和光物理性质。

2.1 常见的光开关
在第一部分，我们介绍了最受欢迎的光开关——偶氮苯和螺吡喃的异构化过程的相关方面。偶氮苯从稳定的反式（E）异构体通过紫外线照射可以转化为顺式（Z）异构体，这一过程涉及N = N双键的旋转[10]。每个氮原子的非键合电子对可以引发n-π*（S0→S1）电子跃迁，导致氮原子的反转。异构化也可以通过旋转机制发生，在这种情况下，会发生π-π*（S0→S2）跃迁（见图2A）[11]。图2中的偶氮苯的光异构化机制（A）以及顺式和反式异构体的UV-Vis吸收光谱及其相应的电子跃迁。偶氮苯的UV-Vis光谱显示两个特征带，分别对应于n-π*和π-π*电子跃迁。反式异构体具有非常强的π-π*吸收带，摩尔消光系数约为3 × 10^4 M^-1 cm^-1，而第二个带（n-π*）则弱得多，大约为ε ≈ 400 M^-1 cm^-1。相比之下，相应的顺式异构体的π-π*带向 shorter wavelengths（红移效应）移动，强度显著降低（ε ≈ 10 × 10^3 M^-1）；另一方面，顺式异构体中的n-π*电子跃迁（380-520 nm）被允许，其强度相对于反式异构体有所增加（ε ≈ 1500 M^-1 cm^-1）[2]。这些性质的确切测量对于将光开关事件转化为生物效应非常重要。在这种背景下，最近开发的光开关能在近红外范围（700–900 nm）或可见光区域（400–700 nm）吸收光，这些波长范围能够有效穿透生物组织。这些“红移”的系统允许入射光引起分子的构象变化，而不会干扰周围的生物成分。对于生物应用来说，PSS是一个关键方面，因为目标是在所需波长下使系统达到最大振幅的稳态。光开关的动力学是另一个关键方面，它受到光强度以及水介质性质及其拥挤效应的影响。一般来说，光开关过程应该在与生物分子动态相关的时间尺度上发生，通常在毫秒到秒的范围内[9]。光开关的热稳定性也不容忽视，必须确保系统在生理温度下保持不活跃并且不会降解，直到被光激活。因此，在选择用于生物应用的光开关时，必须仔细考虑所有这些热力学和光物理特性。最近，偶氮苯单元被引入到寡核苷酸中，使得能够通过光诱导调节DNA三链的形成，从而实现对核酸结构的光化学控制[12]。

一些光开关化合物的活性归因于电环化反应，例如在可见光范围内吸收光的螺吡喃（见图3示例）。电环化反应是一种可逆的分子内环加成反应，在其中共轭π电子在中性或离子系统中形成σ键[13]，通过协同机制进行。这些反应需要通过温度或辐射来触发，以便涉及化学系统之间的p轨道相互作用，遵循Woodward-Hoffmann规则[14]。电环化反应可以通过使用光或热来诱导立体特异性[15]。图3显示了螺吡喃和茂环喹啉的结构（A）及其UV-Vis吸收光谱（B）。这些分子在UV范围内有吸收信号，最大吸收带位于320–380 nm之间（见图3B）。当螺吡喃的C-O键在异构化过程中断裂时，会形成“开放”或“有色”的活性化合物形式，即茂环喹啉，它在500–600 nm的可见光区域吸收光（见图3B）。从开放形式（茂环喹啉）可以通过热或光化学方法恢复到原始或关闭形式。在激发状态下，它更容易发生二次光降解反应。此外，大气中的氧气通过形成自由基与螺吡喃分子相互作用，促进了这些降解过程。在生物学背景下，发现茂环喹啉形式与模型蛋白质有强烈的相互作用[15]。其他有前景的光开关化合物是供体-受体Stenhouse加合物（DASAs）。DASAs最早由Alaniz及其同事在2014年报道，并在两年后改进为第二代（见图4A）[17]。从结构上看，供体基团通过三烯键与受体连接，使得DASA成为一个推拉系统。这种分子构建是控制DASA光化学和合成过程中的关键特征。该系统的光转化由靠近羟基的C2-C3碳原子的光异构化以及随后的C3-C4键旋转所控制。其UV-Vis光谱在500 nm附近显示一个大的吸收带，这是生物科学应用中感兴趣的波长范围[17]。

2.2 最近开发的光开关
在过去的几十年中，出现了涉及N = N、C = C和C = N键光诱导异构化的有前途的系统，它们的结构-光学性质关系已被逐步研究和优化，以开发高效的光开关。尽管迄今为止在生物应用中的用途仍然有限，但它们可以考虑用于与核酸的相互作用。

2.2.1 N = N光开关
o-氟代偶氮苯。如上所述，偶氮苯是由于其稳健的光化学稳定性和易于合成而最常用的有机光开关之一。然而，它们在生物应用中的局限性在于需要紫外线照射，以及E/Z带分离较差，导致有限的Z→E光异构化（即低PSS），这是由于异构体之间的n→π*跃迁吸收带重叠所致。为了解决这个问题，偶氮苯被修饰了功能基团，如胺基[18]、甲氧基[19]和氟原子[20]。在这些修饰中，引入氟原子的好处是保持了分子的平面性和π共轭，同时显著增强了n→π*带的分离。这种改进使得在可见光范围（>500 nm）内双向高效地进行光开关成为可能[21]。o-氟代偶氮苯在para位置的进一步结构修饰必须谨慎设计，因为在某些情况下，N = N键可能对硫醇和谷胱甘肽还原敏感，这取决于pH值[22]。然而，额外的变化还允许接近定量的PSS、可定制的半衰期[23]，甚至提高水溶性，使其适用于生物应用[24-26]。图5显示了涉及N = N键异构化的光开关的分子结构和光学性质。λex对应于施加在最热稳定异构体上的激发波长；PSS是照射该异构体后的光稳态组成；t1/2代表不太稳定异构体的热半衰期。芳基偶氮吡唑（见图5）作为分子光开关的发展遵循与亚氨基吡唑相同的合理结构变化。ortho-吡咯啶和哌啶修饰的苯环使得在两个方向上都能发生红移，而吡唑的N-甲基化提高了Z异构体的热稳定性[26]。此外，改变杂环内氮原子的位置以及转变为偶氮二吡唑，都可以调节π共轭。这些修饰使得半衰期的控制范围从几秒到几年不等，同时在溶液[27, 28]、固体[29]和晶体[30]中实现了接近定量的PSS值。结构设计使得芳基偶氮吡唑具有水溶性，其N = N键可以被质子化，以控制pH依赖的Z → E热或光诱导的开关[31, 32]。最近，芳基偶氮吡唑还被功能化为核碱基，使得它们能够沿着DNA模板进行光调控组装（见下文）[33]。我们都同意氧化还原稳定性是基于偶氮的光开关在生物应用中的重要考虑因素。在经典的偶氮苯中，诸如邻位氟取代这样的取代模式可以显著提高光化学的可寻址性，并影响对还原性断裂的敏感性；例如，某些吸收可见光的邻位取代偶氮苯与容易受到谷胱甘肽攻击的富电子类似物相比，表现出更好的抗性[27, 34]。相比之下，烷基偶氮吡唑已被证明能够表现出定量的光异构化以及异常长的Z异构体热寿命，研究还表明，引入杂芳环也可以增强对还原性降解的抵抗力，如在生物相关条件下由细胞内硫醇如GSH介导的降解[35, 36]。最后，当在水介质中使用光开关时，还应仔细考虑pH值的影响，因为某些基于偶氮的光开关的异构化动力学可能会受到很大影响[37]。

2.2.2 C = C 光开关
靛蓝。靛蓝结构（图6）因其能够在红光（660 nm）下进行光开关作用而闻名，已经得到了显著优化。通过引入吸电子的N-芳基团，其半衰期（t?）从不到5秒延长到了最多400小时，而不会改变它们的吸收光谱。这些结构可以从非常便宜的染料中轻松官能化，从而获得一系列在 therapeutic 光吸收窗口（600–1200 nm）内具有吸收特性的化合物[38]。对这些结构的进一步化学修饰，如吡咯里酮的N-烷基化，可以诱导更多的红移光开关，无论是在E→Z还是Z→E方向[39, 40]。半靛蓝还通过打破靛蓝与其他装饰性芳香环的对称性来改善光物理性质。这些结构变化扩展了π共轭系统并修改了分子平面性，从而提高了吸收带分离度、抗疲劳性和亚稳态的热稳定性，时间跨度可从皮秒到几年[41-44]。半靛蓝的进一步结构修饰使其能够在保持光开关能力的同时溶于水介质，并具有额外的pH响应性切换功能，这对于考虑潜在的生物应用至关重要[45, 46]。图6在图形查看器中打开PowerPoint

涉及C = C键异构化的光开关的分子结构和光学性质。λex对应于应用于最热力学稳定异构体的激发波长；PSS是该异构体受到照射后的光稳态组成；t1/2代表较不稳定异构体的热半衰期。Ph代表苯环，p代表对位，Alk代表烷基链，Im代表咪唑。

罗丹宁。基于罗丹宁的结构（图6）表现出优异的半衰期，例如，通过用硫替换氧，可以将半衰期从30分钟调节到几天。这种效果归因于杂原子之间的电负性和极化率差异，这些差异改变了它们的氢键结合能力，并在吸收光谱中引起多达57 nm的红移。引入取代的芳香环进一步调节了热稳定性，并实现了几乎定量的光稳态（PSS）。尽管它们的激活主要发生在接近400 nm的UV-Vis区域，但一些衍生物显示出良好的细胞穿透性，并且能够以特定构型诱导细胞凋亡[47]。

2.2.3 C = N 光开关
Hydrazone和Acylhydrazone。Aprahamian的团队将hydrazones描述为光开关的绝佳工具箱[52]。Hydrazone酰胺氢与分子的分子内H键稳定了Z异构体，使得半衰期可达数千年，并且在各种形式中都具有良好的吸收带分离：溶液[53]、固态[54]、液晶[55]和具有药物释放功能的纳米颗粒[56]。Acylhydrazones由Hecht团队首次开发[57]，它们表现出与hydrazones类似的光学性质，同时实现了超过100 nm的带分离和定量的PSS，并且不需要Z异构体的稳定（图6）[58]。此外，通过扩展π共轭系统（从苯基到萘基、蒽基和吡啶基），吸收带红移可达100 nm[57]。最后，Acylhydrazone的光开关性质可以通过氧化还原作用来控制——自由硫醇的存在可以催化C = N键的可逆加成异构化——或者通过pH调节可电离的邻位取代基[59-61]。这些光学性质使得精心设计的acylhydrazones成为生物应用中很有前景的光开关，前提是E和Z构型显示出不同的生物效应。例如，它们已经被描述为可光开关的离子对转运蛋白[62, 63]。最近，hydrazone修饰的胞嘧啶被开发为可光开关的核碱基，可以实现蓝光控制DNA合成和聚合酶活性[64]。

Thiosemicarbazone。Eisenreich团队最近引入了thiosemicarbazones作为一类有前途的超分子有机光开关（图7）。这些分子表现出高PSS和可调的半衰期，范围从几分钟到几小时，特别是当使用卤素作为邻位取代基时。它们还展示了通过多个芳香环的共轭效应实现的颜色深移，并且在苯环被杂环取代时增强了吸收带分离。由于其金属离子结合能力，这类thiosemicarbazones在光诱导的生物应用中显示出巨大潜力，因为它们可以形成Cu(II)或Zn(II)复合物来促进抗癌或抗菌效果[65-68]。图7在图形查看器中打开PowerPoint

涉及C = N键异构化的光开关的分子结构和光学性质。λex对应于应用于最热力学稳定异构体的激发波长；PSS是该异构体受到照射后的光稳态组成；t1/2代表较不稳定异构体的热半衰期。Iminopyrazole。Iminopyrazoles（图7）也作为有机光开关，可以在光照下使动态组合库失去平衡[69]。Greenfield团队报告了arylaminopyrazoles（AIPs）的研究，与它们的非杂芳基类似物相比，显示出有希望的性质，如高PSS（高达95%的Z异构体）、在室温下约19.2小时的寿命，或者负photochromism，这使得它们非常适合需要深入光穿透的应用[70]。在苯环的邻位添加吡咯里啶取代基可以通过非共价相互作用稳定亚稳态[71]。Iminobispyrazoles（IBPs）通过改变芳香环中氮原子的数量和位置进一步扩展了这种多功能性，调节了光学性质。由于两个吡唑的完全共轭效应，它们不需要邻位电子给体就能作为高效的光开关，这与简单的iminopyrazoles不同[71]。这些性质使得iminopyrazoles易于调节光开关性质，适用于对pH敏感的生物环境。

3 光开关对核酸的共价修饰
利用一种可以通过光照来控制和操纵核酸结构的化学系统对于开发靶向药物非常有趣，因为光是非侵入性的、生物正交的，并且在作用上具有高的时空分辨率，这对于潜在的治疗应用来说是非常有价值的。基于这个想法，一种可能的控制核酸结构和功能的光化学方法包括将光开关共价整合到核酸中[8, 72-74]。

3.1 在核碱基位置整合光开关
Asanuma等人在2001年报告了通过光开关对DNA的共价修饰[12]。他们在寡核苷酸中引入了一个光响应的偶氮苯基团，以控制DNA双链的形成/解离（图8A）。在这样的系统中，DNA双链解离成单独链的熔化温度（Tm）通过诱导trans (24.8°C)–cis (15.9°C)异构化而显著变化，无论偶氮苯基团在寡核苷酸中的位置如何；由trans-cis异构化引起的ΔTm变化约为9°C。这表明偶氮苯的trans异构体通过插入作用稳定了双链，而cis异构体则破坏了双链。这表明光调控寡核苷酸可以成功用作T7聚合酶催化的DNA延伸的调节剂[75]。这意味着偶氮苯的光诱导cis-trans异构化是决定DNA延伸是在所需位置结束还是继续到模板DNA末端的关键。图8在图形查看器中打开PowerPoint
(A) 使用偶氮苯单元的光异构化来调控双链形成的示意图，改编自参考文献12。(B) 由trans到cis异构化触发的偶氮苯异构化和双链DNA解离为单链DNA的速率，改编自参考文献[76]。2006年，同一团队报道了光响应DNA的扩散解离/结合方法，他们表明尽管偶氮苯异构化发生在皮秒级别，但由trans到cis异构化触发的双链DNA解离为单链DNA的速度大约慢10^7倍（图8B）。在这项工作中，他们使用azo-DNA的分数和浓度计算了不同温度和浓度下的双链（dsDNA）和单链（ssDNA）形式的浓度，从而确定了解离率和结合率。此外，还确定了从cis-to-trans异构化后的单链DNA到双链DNA的反应速率，以及trans-azobenzene和cis-azobenzene解离的双链DNA之间的熔化温度差异[76]。最近，Ginger团队表明偶氮苯的trans-cis光异构化的量子产率在DNA中会降低，并且对局部DNA序列和DNA杂交状态敏感[77]。随着绑定dsDNA的Tm的降低，光异构化的量子产率倾向于增加。另一方面，量子产率的最大变化与偶氮苯位点旁边恰好有一个碱基错配的dsDNA相关。他们测量了由同一目标DNA交联的纳米颗粒复合物的解聚速率。这对于设计用于光调节基因调控和药物递送过程的系统非常有用。最后，在2016年，Santer及其同事合成了一个光敏肽模拟分子（Azo-PM）用于可逆的DNA压缩[78]。这项研究表明，当Azo-PM的浓度超过一定值时，它会导致DNA压缩，通过动态光散射（DLS）和原子力显微镜（AFM）进行了研究。根据使用的Azo-PM浓度，他们确定了三个不同的阶段：（1）螺旋状的非压缩状态，（2）可逆的压缩状态，以及（3）不可逆的压缩状态。

3.2 作为DNA末端基团的光开关
与使用偶氮苯作为DNA发夹连接剂（图9A）[79]不同，Feringa及其同事展示了第一代分子马达（即8T-trans-3-8A）可以作为8个碱基对DNA发夹的光敏桥头[80]。分子动力学计算显示，发夹与光敏桥头之间存在更多的相互作用。此外，他们还表明异构化过程非常高效，双稳态切换模式是对cis-trans偶氮苯限制的应用的一个真正进步。这项工作证明了分子马达可以用来在生理条件下控制DNA的二级结构，展示了调节关键生物过程（如DNA杂交）的能力。图9在图形查看器中打开PowerPoint
光开关DNA发夹的示意图。(A) Sugimoto及其同事基于光开关连接剂1的设计[79]。(B) 基于第一代分子马达的连接器概念。从双链到单链的完全转换对于这两种设计来说都是一种高估，但用于说明通过连接器的收缩（a）或扩张（b）来破坏平衡的一般概念[80]。(c) 电机连接器3的结构[80]。(d) 分析稳定8T-trans-3-8A的光化学异构化的UV–vis光谱。改编自参考文献80。Sheng的团队开发了一种新的胞嘧啶-磷酰胺家族，该家族经过hydrazone修饰并整合到寡脱氧核苷酸中，通过固相合成构建了光敏DNA链，图10[64]。研究了在450 nm波长下蓝光激活的E-isomerization，并通过质子NMR和HPLC进行了确认。他们报告说，这种hydrazone-cytidine的光激活Z形式具有六元分子内氢键，抑制了DNA合成。此外，他们研究的另一个结果是，模板中被肼修饰的胞苷可以以相似的选择性导致dATP和dGTP从生长中的DNA链上分离，从而可能引发G到A的突变。图10（在图查看器中打开）

图10：肼-DNA光开关中G:C碱基对光控的示意图 [64]。

4. 核酸与光活性分子之间的非共价相互作用

除了将光开关引入核酸的共价框架中（这通常是一项非平凡的合成任务外，还可以设计通过非共价相互作用与核酸可逆结合的光开关配体。

4.1 核酸结合的光控

核酸（如DNA和RNA）能够作为各种超分子组装过程的模板，包括凹槽结合、插入和/或碱基配对 [81, 82]。在后者中，核碱基通过氢键的选择性模式作为合成配体的结合位点，而这些氢键的强度通过与相邻核碱基的π-π堆叠相互作用得到增强。因此，单链核酸是通过碱基配对由核酸模板化的超分子系统最简单的平台，其中结合的核酸将会形成结构和序列有序的阵列，从而产生新的功能。有趣的是，改变这种核酸结合物的构象将能够调节和控制相关的功能。沿着这一研究方向，de la Escosura和Surin小组报告设计了一种新型的芳唑吡唑衍生物分子光开关，其结构中包含一个核碱基（腺嘌呤或胸腺嘧啶），该光开关通过与不同长度（n = 20或40）的互补单链DNA（dTn和dAn）进行碱基配对来发挥作用 [33]。为了表征光开关沿单链DNA的模板化自组装以及对光的响应，研究人员进行了紫外-可见光吸收光谱和圆二色性（CD）测量，同时改变了溶液条件（离子强度，[NaCl] = 1或5 M）以及使用的DNA模板（dTn和dAn，n = 20或40）。观察到了一个诱导的CD（ICD）信号，其符号取决于单链DNA模板的性质，从而揭示了所得组装体的手性组织的选择性。紫外光（365 nm）照射引发了手性光学响应，具体表现为ICD信号的消失，而蓝光（465 nm）照射后又部分恢复了该信号，这表明配体与单链DNA模板之间的结合是可逆的。分子动力学模拟支持了实验观察结果，并阐明了DNA链与分子开关在顺式和反式形式下的相互作用，见图11 [33]。

图11：MD快照展示了Azo-A/dT20超分子复合物在1.25 μs后的情况（1 μs时未施加约束），其中azo化合物分别处于反式（左）或顺式（右）构型。放大显示了4个分子的堆叠排列（顶部中央），DNA骨架用黄色管状表示，其核碱基用蓝色标记，Azo-A分子用粉色棒状表示，它们的核碱基用红色标记。中间底部显示了基于模拟最后500 ns计算的分子堆叠相互作用的热图。x轴和y轴各表示40个残基，每个azo分子对应4个残基（从Azo-A 1到Azo-A 10编号）。两殘基交叉处有一个彩色方块，其颜色表示检测到的堆叠相互作用次数。反式异构体显示出“对角线模式”，意味着分子是连续堆叠的（Azo-A 1与Azo-A 2相互作用，Azo-A 2与Azo-A 3相互作用，依此类推）。顺式异构体显示出更分散的相互作用，组织性较差 [33]。

双链核酸更为复杂，但它们构成了细胞中功能性核酸的基础。早在2005年，就有人描述了DNA/RNA的光激活插入剂，然而当时的作用方式是通过光诱导的脱环反应实现不可逆的 [83]。Nakatani及其同事报告了一种用于识别DNA的光开关可逆分子粘合剂 [84]。该系统基于一个两端带有萘啶氨基甲酸酯的azo型光开关，它能够结合GG错配 [84]。结果表明，只有光切换后的顺式异构体能够与11聚体错配的DNA双链结合，从而促进其杂交。使用这种可控配体实现单链和双链DNA之间的可逆光切换，这一过程还通过表面等离子体共振得到了进一步的验证 [84]。除了这些简单的核碱基识别元件外，还可以连接更复杂的肽序列，从而构建光响应的DNA结合系统 [85]。

图12：(A) DNA和(B) RNA错配双链的光开关配体的分子结构，以及优化后的光开关的示意图 (C)。这种方法被扩展到RNA结合，同一个小组还展示了使用优化的基于azo的配体的顺式形式来稳定含有5’-WGG-3’/5’-WGG-3’（W = U或A）错配的双链RNA [86]，并在体外和细胞中验证了其对锤头核酶RNA切割活性的光控能力。最近，Dohno小组证明，在紫外光和可见光下反复光切换可以解离参与神经肌肉疾病的UGGAA重复序列的RNA聚集体 [87]。Feringa和Dohno小组在合理设计和计算引导的光开关设计方面的合作，鉴定出一组新的光开关错配结合配体，这些配体能够改善E和Z异构体之间的带分离，使其在365和445 nm处实现光切换 [88]。Baigl小组利用与核酸聚阴离子主链的盐桥相互作用，研究了双胍基azo型光开关配体AzoDiGua，并发现其在光切换从顺式到反式异构体时可以将DNA熔化温度提高18°C [89]。由于与DNA的相互作用主要是静电的（离子相互作用），这种方法对从短DNA（10个碱基对）到长基因组DNA（小牛胸腺DNA，> 10 kbp）都同样有效。Matczyszyn及其同事随后报告了一种改进的设计，其中引入了正氟唑苯结构，这种配体现在可以通过可见光在顺式和反式之间进行光切换 [90]。

图13：序列独立的光敏核酸结合剂AzoDiGua的分子结构，用于通过260 nm处的吸收变化来光控制DNA熔化。该图经参考文献[89]许可改编。Surin和Ulrich小组研究了带有胍基的小芳香族化合物作为磷酸盐结合DNA配体，并展示了π相互作用在稳定与单链DNA自组装中的重要性 [91]。现在在配体设计中加入光响应性唑苯结构后，发现当从反式异构体光切换到顺式异构体时，配体会从单链DNA上解离。这一现象的最佳解释是通过分子建模研究得出的，即系统平面的变化改变了π相互作用 [91]。当唑苯处于反式异构体时，该配体结合在双链DNA的较小凹槽中；而在光切换为顺式异构体时，部分从较小凹槽解离 [91]。研究了两种异构体之间DNA/配体复合物的结合几何结构、稳定性和动态特性。这一配体的特性随后被用于光调控一个复杂系统，其中两种配体（GuaAzo和GuaBiPy）竞争相同的DNA模板。在GuaAzo的反式异构体下，两种配体的结合能力相当，混合结合产生的激子信号较弱；而在光异构化后，激子信号增强了两倍，这最好解释为GuaAzo的顺式异构体部分解离，使GuaBiPy在DNA模板上形成更均匀的堆叠 [92]。

图14：通过分子建模展示了两种GuaAzo配体的反式和顺式异构体对双链DNA结合的光调控；GuaBiPy的分子结构 (B)；以及两种配体竞争双链DNA的化学系统的示意图，这种光依赖的竞争导致GuaBiPy激子组装产生的可控荧光输出 (C)。该图经参考文献[92]许可改编。除了光控单链和双链DNA及RNA的结合外，使用可切换配体对于识别具有动态形成的更复杂核酸结构也具有重要意义，因为这些结构参与基因表达的调控。Galan小组报道了一种基于 stilbene的光开关，用于识别G-四链DNA [93]。根据其异构化情况，该配体可以稳定或不稳定G-四链DNA。最近，Balasubramanian小组报道了一种环状氧化氮（Diazocine）G-四链配体，其可逆的光切换能够实现对一组G4依赖基因的表达时空控制 [94]。小分子凹槽结合剂也形成了一组选择性的RNA结合配体 [95, 96]，能够识别特定的核酸二级结构。Vázquez小组报道了一种小分子，可以在mRNA和蛋白质水平上实现条件性实时控制 [97]。这种RNA结合化合物包含正氟唑苯结构，它可以结合到SMN2前mRNA的外显子7中的2A位点。随后在细胞中展示了RNA剪接的光控制。

4.2 DNA折叠和缩合的光控

Baigl小组广泛研究了阳离子表面活性剂作为序列独立的核酸结合剂，并通过引入光敏azo基团AzoTAB，报道了其在黑暗中活跃但在紫外光照射下失活的配体对转录和翻译过程的光控 [98]。设计基于一个azo光开关，将一个永久性的阳离子头部与一个短亲脂尾部分离，其异构化影响核酸的结合和缩合 [99]。因此，配体的光切换改变了其与酶促转录机制的结合能力 [99]。

图15：序列独立的光敏核酸结合剂的分子结构，用于光调控转录。该图经参考文献[98]许可复制。能够控制核酸的复合和缩合为DNA或RNA基因治疗的应用开辟了新前景，因为这些过程是纳米粒子形成的基础，这些纳米粒子可以在生物流体中移动并穿过生物屏障到达目标。在这方面，Ravoo小组报道了由环糊精制成的囊泡，其中含有基于azo的光开关可逆阳离子两亲分子，能够可逆地与DNA结合 [100, 101]。在那里，唑苯的光切换触发了与环糊精的宿主-客体复合物的解离，进而导致DNA的受控释放。

图16：光开关可逆阳离子客体的分子结构，当与两亲性环糊精宿主结合后，形成能够在光照后释放DNA的阳离子囊泡。该图经参考文献[100]许可复制。与使用光不稳定基团实现不可逆核酸释放的笼状RNA [102]或RNA传递向量 [103]不同，可逆光开关的使用抑制了伴随的小分子副产物的同时释放，并提供了时间和空间控制 [104]，因为可以在一定时间后通过光照停止传递，甚至在不希望传递RNA的区域也是如此。这种方法将有助于开发用于RNA传递的智能定向载体 [105, 106]。例如，光控脂质的设计和应用 [107]无疑将转化为具有改进效率的智能脂质纳米粒子用于RNA传递。

4.3 基于DNA的水凝胶和更高阶纳米结构的光控

DNA水凝胶是一种有吸引力的材料，因为它们结合了生物相容性和识别特性，同时可以通过适当的超分子设计调整其机械性能。此外，它们还具有赋予刺激响应性和适应性行为的巨大潜力 [108]。例如，Pianowski及其同事开发了光响应的超分子水凝胶，这些水凝胶能够封装具有治疗相关性的分子，并在受到紫外线照射时释放这些分子。超分子水凝胶基于含有光开关偶氮苯基团的环二肽凝胶剂（图17）。在溶液中，凝胶剂分子通过芳香偶氮苯基团的π堆叠和二酮哌嗪环的氢键自组装成纤维网络，这一点通过电子显微镜得到了证实。当受到紫外线照射时，凝胶会迅速变为液态。这一现象是由于偶氮苯从反式异构化成顺式异构化，从而破坏了分子间的相互作用，导致纤维解体和凝胶降解。相反，蓝光照射30分钟后，会引发反向异构化，增加反式异构体的数量，最终使纤维状凝胶结构重新形成。需要注意的是，凝胶化过程需要几个小时才能产生具有足够机械稳定性的水凝胶。这种策略已被成功用于实现寡核苷酸和抗癌药物多柔比星的光诱导释放，展示了其作为开发刺激响应型药物递送系统的潜力[109]。最近，Pianowski的团队通过对这种凝胶剂进行改造，用卤素基团替换偶氮苯基团，使得水凝胶在可见光照射下释放先前封装的药物[110]。

**图17** 在图视图中打开

超分子水凝胶由水溶液中的环二肽凝胶剂形成。可逆的光控溶胶-凝胶转变[109]。最近，Feringa的团队报道了一种基于DNA的混合超分子水凝胶，其结构和性质可以通过光和热刺激进行可逆调节[111]。该系统基于含有两个腺嘌呤单元的二噻吩乙烯（DTE）光开关与20个胸腺嘧啶的单链寡核苷酸模板的自组装。在自组装过程中，光响应分子能够在不同的功能状态之间进行可逆切换。圆二色性和显微镜分析显示，超分子组装通过二噻吩乙烯光开关与DNA单链之间的氢键相互作用而稳定，形成的聚集体最终发展为均匀的网络状结构，从而形成紧密排列的纤维束，进而形成自愈的超分子水凝胶。在宏观尺度上，这种凝胶表现出异常的形状恢复能力，能够保持其形成容器的形状。有趣的是，紫外线照射会在凝胶内部引起局部收缩，从而实现对其原始形状的精确光控调节。随后通过可见光照射结合加热-冷却循环可以恢复原始的动态产物。这种策略为在微观和宏观尺度上控制超分子结构及其性质提供了一个动态且可逆的平台。此外，DNA纳米技术这一新兴领域消除了这种分子的任何预设生物功能，利用其简单的编码规则在1D、2D和3D空间中生成可寻址的纳米结构。更高阶的结构，即超越双螺旋结构的DNA纳米结构，已被用于排列蛋白质、纳米颗粒、过渡金属和其他功能组分，并能设计出特定的图案。它们还可以作为纳米线模板，帮助确定蛋白质结构，并为基因组应用提供新的平台。DNA纳米技术领域正在多个方向发展，有望对材料科学和生物学产生重大影响[112]。例如，Sugiyama及其同事设计了一种基于偶氮苯的光敏开闭机制的DNA纳米胶囊。这些研究人员利用这些纳米胶囊通过DNA杂交有效捕获金纳米颗粒，并通过光照射和链位移实现释放[113]。该团队还报道了设计出能够通过光调控组装成预设多取向图案的光敏DNA折纸纳米结构。他们使用了装饰有偶氮苯修饰寡核苷酸的六边形DNA折纸单元，这些寡核苷酸作为光开关分子。六边形DNA单元之间的组装/解组装过程可以通过偶氮基团的光致顺反异构化进行可逆控制。通过调整光敏寡核苷酸的数量和位置，可以精细控制六边形DNA单元在自组装纳米结构中的相对取向，从而实现各种图案，如2D中的线性或环形排列[114]。后来，同一团队使用芳基偶氮吡唑作为光开关分子，因为其光物理性质优于偶氮苯基团。他们证明偶氮苯和芳基偶氮吡唑光开关可以共同独立控制自组装过程，为调节DNA折纸纳米结构开辟了新途径[115]。此外，DNA折纸纳米结构还被用作载体，用于封装并在光照下释放生物相关分子。例如，Xue Han及其同事通过引入光敏连接剂设计了DNA折纸纳米笼来捕获各种分子。这种策略成功实现了多种蛋白质的封装，并在光照下以完整的生物活性状态释放它们[116]。

**5. 总结与展望**

早期的光开关已成功与核酸结合，无论是通过共价键合（替换内部碱基或放置在末端基团）还是通过超分子识别实现非共价结合。已经有多篇关于光控DNA/RNA杂交、DNA缩合、DNA折纸、DNA基水凝胶形成、配体结合以及转录/翻译调控的研究报告。本文还重点介绍了新型光开关的最新进展，这些光开关提供了更丰富的分子结构，能够精细调节光开关的波长选择范围（PSS）和速度常数（t?），以满足特定应用的需求。这些新发展带来了性能改进的光开关，例如在光开关效率和动力学方面。尽管只有少数研究开始探索这一领域，但未来还有更多进展将揭示光控核酸组装在基因表达和光药理学方面的潜力。

**致谢**

N. N. 感谢UMons研究委员会提供的博士后资助。H. L. 和 S. U. 感谢ANR（IDEA项目，ANR-23-CE07-0040-01）的资助。Mons的研究得到了Mons大学、瓦隆大区以及F.R.S.-FNRS科学研究基金（授予号码30650939和U.G.018.18）的支持。M. M. 是F.R.S.-FNRS的博士研究生。

**利益冲突**

作者声明没有利益冲突。

**作者简介**

Noemí Nogal于2024年在马德里自治大学（西班牙）Andrés de la Escosura教授的指导下获得了有机化学博士学位。她的博士研究专注于研究在原始地球条件下可能产生生命的新前生物系统。在她的论文期间，她在比利时Mons大学的Mathieu Surin教授团队进行了研究，研究核碱基-芳基偶氮吡唑光开关沿DNA模板的超分子自组装。2024年6月，她加入了加拿大渥太华大学Joseph Moran教授的研究团队，目前致力于研究生物辅因子的前生物起源。Hugo Laigle最初在法国布雷斯特的Université de Bretagne Occidentale学习化学，随后转到蒙彼利埃的Université des Sciences，2024年获得了生物分子化学硕士学位。他目前在蒙彼利埃的Institut des Biomolécules Max Mousseron（IBMM）攻读博士学位，师从Sébastien Ulrich博士。他的研究专注于设计、合成和表征用于细胞内递送的光开关折叠体。Maxime Mansy在Mons大学学习化学，2023年获得了硕士学位。他目前在UMONS的新材料化学实验室（UMONS）和Symbiose实验室（UMONS）之间攻读博士学位，导师分别为Mathieu Surin教授和Sylvain Gabriele教授。他的研究目标是开发和表征用于机械生物学和细胞培养的超分子DNA基水凝胶。Sébastien Ulrich在法国斯特拉斯堡大学（Université de Strasbourg）师从Jean-Marie Lehn教授完成博士学位，并在英国牛津大学（Oxford University）和美国斯坦福大学（Stanford University）担任博士后。他于2012年加入CNRS，并于2023年被提升为研究主任。他在蒙彼利埃的IBMM从事超分子生物有机化学领域的研究，致力于开发用于核酸识别和递送的动态自组装体系。他于2017年获得CNRS铜奖，并在2023年获得Forcheur奖。Mathieu Surin在比利时UMONS的Roberto Lazzaroni教授指导下完成博士学位，并在法国斯特拉斯堡大学（Université de Strasbourg）担任博士后。他于2009年被FNRS聘用，并在UMONS开展生物启发型超分子组装的研究，利用DNA、肽和精密大分子等信息丰富的分子开发生物传感器、催化剂、手性材料和水凝胶等产品。自2025年起，他一直担任UMONS的教授，并担任新材料化学实验室的负责人。