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对Holliday junction的重新审视:静态和动态角度控制

2021-10-21 16:07:27

随着DNA纳米技术的蓬勃发展,日益复杂的多功能DNA纳米结构已以多种方案被成功构建。通过拓扑和几何特性控制和提高DNA纳米结构的精度,可进一步增强所构建结构的功能性。设计精度从纳米级跨越到埃级必将赋予DNA结构更多功能特性,比如精确的生物分子结合界面和理性设计的酶活性。其相关下游应用将包括单分子生物物理作业平台,高灵敏度环境生物和化学分子检测,及理性药物分子设计和筛选。作为DNA纳米结构中无处不在的基本结构模块,分支模块(Branched DNA motifs)特别是immobile Holliday junctions的精确角度控制已成为进一步提高整体结构精度的关键挑战之一。为实现这一目标,清华大学魏迪明分子设计课题组(MADlab)和纽约大学纳德里安·西曼(Nadrian C. Seeman)课题组合作,提出了利用两种方案来控制四臂分支模块晶格(four-arm junction lattices)的分支方向。

第一种方案基于immobile Holliday junctions结构,通过分支点处的特定核苷酸序列控制四臂分支模块的螺旋堆叠模式,进而实现分支方向的控制。


图1 基于分支点处的特定核苷酸序列的四臂分支模块方向控制。左图:分别由不同螺旋堆叠模式(P或L)的四臂分支模块构成的宽、窄带状结构示意图;右图:两组由具有特定分支点核苷酸序列的结构模块(JP与JPR,JL与JLR)构成的带状结构,从上到下依次为:特定分支点核苷酸序列及螺旋堆叠模式预测、AFM图像。比例尺:100纳米。

第二种方案利用角度控制支柱来实现柔性四臂分支模块的角度控制。通过三角化支柱的几何控制以实现对松弛连接晶格的特定角度控制。除了静态角度控制外,该方案还可用于二维晶格的动态角度控制。本研究证明动态角度控制可通过经典的Watson-Crick碱基配对或非经典的碱基相互作用(例如,i-motif和G-四链体)实现。


图2 基于角度控制支柱的四臂分支模块角度控制。左图:基于三角化支柱的松弛连接晶格的特定角度控制;右图:基于pH响应的三角化支柱(i-motif)的松弛连接晶格的动态角度控制。从上到下依次为:结构示意图、AFM图像。比例尺:100纳米

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)和纽约大学西曼课题组共同完成,论文题目:“可重构的二维DNA晶格:静态和动态角度控制”(Reconfigurable Two-Dimensional DNA Lattices: Static and Dynamic Angle Control),于2021年10月1日在线发表于《应用化学》(Angewandte Chemie)。银河国际app手机版下载 - 最新版APP Store博士后王雯为本文的第一作者,银河国际app手机版下载 - 最新版APP Store魏迪明副教授和纽约大学西曼教授为本文的共同通讯作者。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、美国自然基金(NSF)、美国陆军研究办公室(ARO)、美国海军研究办公室(ONR)、美国能源部(DOE)、美国国家卫生院(NIGMS)等机构的基金资助。

论文链接:https://doi.org/10.1002/anie.202112487