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你们好,Watson和Crick,我是Hoogsteen ----基于三螺旋的DNA变构装置的开发

2021-10-05 13:09:28

自问世以来,DNA纳米结构凭借其优异的可编码性,已在诸如药物递送、环境监测、生物计算、智能材料等众多领域显现出可观的应用前景。与此同时,在DNA纳米结构设计的不断探索中,人们对结构的复杂性、灵活性及功能化等方面的认识愈渐深入, 相关设计理念和设计经验得以不断的积累和丰富。众多特殊的核酸结构也开始被应用于纳米元件的设计中,如三螺旋和四联体等。这些非常规的核酸结构具有着与双螺旋截然不同的理化性质,一定程度上扩充了核酸纳米结构设计的工具库。

变构调节是自然界经漫长时间进化出来的一种在生命活动中非常普遍且高效的调节方式。对于许多在生命活动中具有重要作用的酶来说,其作用于底物的活性会受到其他配体的调节。一般来讲,这些配体通过结合到酶的某个位点(变构位点,不同于正构位点)从而使酶的构象发生变化以调节酶与其底物的结合,增强或抑制酶的活性。正因其调节的可控性,变构调节已经被应用于核酸纳米设计中以实现底物的装配、释放以及动力学控制等目的。然而迄今为止,从调控机理而言,这些人工设计的核酸变构元件的复杂程度要远逊于天然进化出的变构酶。究其原因,一在配体种类有限(特定的蛋白或小分子),一在完成方式单一(DNA双螺旋的打开或关闭)。

在本研究中,作者设计了以三螺旋作为变构位点的Z-switch结构,三螺旋是在普通的Watson-Crick双螺旋的基础上,第三条链以Hoogsteen碱基配对的方式形成三股螺旋。第三条链(TFO)作为配体参与变构调节。TFO与变构位点的结合可以调节Z-switch结构的活性位点进而影响其自组装活性。作者通过研究多组不同初始状态的Z-switch结构变构调节前后的构象变化,进行系统的筛选和比对,得到理想的变构模型。该结果与理论预期高度吻合,同时该结果在不同Z-switch结构中的成功应用也确定了其鲁棒性和可推广性。


图 1. 基于三螺旋设计DNA 变构元件——Z-switch。 TFO链作为变构调节配体,可改变Z-switch的构象,调控活性位点a*和b*,从而调控Z-switch的自组装活性。这一模型经验证不依赖于特定种类的Z-switch,可进一步推广到其它种类的Z-switch。

接下来,作者应用该变构调节策略模仿一些天然蛋白,成功地实现了多种变构调节配体的共调节模式,并且实现了对不同反映途径的选择性控制。此外,由于作者选用TFO作为变构调节配体,利用其相对其他配体(蛋白或小分子)而言优良的可编码性,得以实现更为灵活的调节方式,包括经典布尔逻辑门等的逻辑运算基础元件以及较为复杂的运算网络。


图 2. 基于三螺旋的Z-switch变构元件在逻辑运算中的应用。 基于TFO的序列丰度,多种TFO链可作用于同一Z-switch变构元件或同一系统,以实现相应功能(逻辑门运算或较为复杂的函数运算)。

本研究拓展了变构调节在核酸纳米结构中的应用,建立了新的调节模型,确立了筛选流程,丰富了调节机理和完成方式,对今后DNA变构元件的研究以及应用具有重要的意义。

该研究成果由清华大学生命学院魏迪明分子设计课题组(MADlab)完成,论文题目为“基于三螺旋DNA设计纳米变构元件”(Rational design of allosteric nanodevices based on DNA triple helix),于2021年10月4日在线发表于《美国化学学会志》(Journal of the American Chemical Society)。银河国际app手机版下载 - 最新版APP Store博士生张天晴为本文的第一作者及共同通讯作者,从项目构思、具体实施到最后论文撰写其全程基本独立完成,另一共同通讯作者为银河国际app手机版下载 - 最新版APP Store魏迪明副教授在项目立意和写作提供了协助。该研究得到国家自然科学基金委、清华-北大生命科学联合中心、清华大学结构生物学高精尖中心等基金资助。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c07824