DNA的程序化自组装是一种分子自组装的模型系统,通过该模型构建的纳米结构已被广泛地运用于纳米医学、新型材料、分子计算、生物传感以及纳米机器等领域。DNA自组装主要依赖以Watson-Crick作用为主的碱基互补配对作用,或非Watson-Crick配对(G-四链体、i-motif和三链体等)。拓展DNA自组装的驱动力类型,使之不受限于常规碱基对之间的相互作用,成为该领域研究的热点之一。近期,西南大学左华教授、李春梅教授与美国普渡大学毛诚德教授在该研究领域取得了新进展,相关研究成果在线发表于J. Am. Chem. Soc.(DOI: 10.1021/jacs.3c06260)。
基于适配体-配体作用力驱动DNA瓦片自组装
研究团队报道了一种驱动DNA-DNA相互作用并自组装的新型策略:以AMP的DNA适配体为研究模型,通过与腺嘌呤作用,即适配体-配体作用驱动DNA瓦片自组装,得到几何结构确定的DNA纳米结构。这种驱动力不依赖传统的Watson-Crick碱基配对作用,为使用适配体进行程序化DNA自组装提供了新思路与潜在应用。团队首先分析了AMP适配体的序列特征(图1a):黄色方框里面为结合口袋,红色部分为AMP,其中仅有腺嘌呤和脱氧核糖部分插入结合口袋中,磷酸骨架暴露在外,不与适配体作用。根据这些特点,团队设计了两条能形成双链且包含AMP适配体的DNA链,命名为L-cA(图1b)。两条链的末端都是碱基A,A和其他碱基之间用碱基C分隔,作为柔性的连接部分。由于AMP适配体具有两个腺嘌呤结合位点,L-cA的两个碱基A能够识别结合口袋,通过适配体-配体的作用自发地聚集形成线性多聚体(图1c)。图1. AMP适配体驱动DNA线性结构的自组装。(图片来源:J. Am. Chem. Soc.)由于单价L-cA的相互作用较弱,在此基础上,团队进一步引入了二价适配体的理念,设计了二价的DNA模块,即S-cA(图2a)。一分子S-cA中的末端两个碱基A能与另一分子S-cA的结合位点作用,自聚集形成以正方形为主的寡聚结构,并通过原子力显微镜和凝胶电泳进行了表征(图2c, d)。同时,为了将二价的AMP适配体作用力引入到传统的粘性末端介导的DNA自组装中,需要对二价AMP适配体-配体作用力与粘性末端作用力的强度进行对比。为此,团队设计了由具有不同长度的粘性末端自组装的DNA三角形结构,并通过凝胶电泳将它们的稳定性与S-cA自组装结构的稳定性进行比较(图2c, e)。团队发现,二价的适配体-配体作用力大致与2 bp长度的粘性末端作用力相当。图2. AMP适配体驱动的DNA四边形的自组装。(图片来源:J. Am. Chem. Soc.)进一步研究表明,基于AMP适配体-配体结合作用可以编程DNA模块组装成规则的2D阵列结构。团队设计了两个类似的双链DNA模块(2D-a和2D-b)(图3a1, b1),每个双链DNA模块均包含:(1)一个AMP适配体结合口袋;(2)双链的左侧含有两个外延的碱基A;(3)双链的右侧含有4 nt的自互补的粘性末端。2D-a和2D-b均能通过二价适配体-配体作用以类似S-cA的方式组装成正方形结构(图3a2, b2),进而通过粘性末端作用进一步组装形成规则的2D阵列(图3a3, b3)。原子力显微镜成像清晰地展现了2D阵列的形成和规则排列(图3a4, a5, b4, b5)。图3. AMP适配体驱动的DNA二维阵列的自组装。(图片来源:J. Am. Chem. Soc.)
研究团队开发了一种基于适配体-配体作用力进行DNA程序化自组装的新策略。它的独特之处在于,基于适配体-配体的结合力不同于传统的DNA碱基配对。该策略具备两个有趣且实用的特征:(1)为DNA纳米技术增加了一种新的工具;大量可供选择的适配体极大地扩展了DNA瓦片自组装驱动力的选择范围;(2)提供了一种由各类配体诱导调节DNA自组装的直接方法。由于识别不同分子的适配体可以通过筛选或设计获得,因此,基于适配体-配体作用驱动的DNA自组装理论上可以通过响应各种配体实现,这将为生物传感和工程化的动态、生物仿生系统提供相当有价值的设计思路和潜在应用。本篇工作通讯作者为西南大学的左华教授、李春梅教授和普渡大学的毛诚德教授,西南大学黄承志教授为本研究提供了重要的指导和帮助。西南大学在读博士研究生张哲为该论文的第一作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金(22134005、21974111和22274135)和重庆市自然科学基金(cstc2021jcyj-msxmX0931、1033和cstc2020jcyj-msxmX0947)等项目的资助。课题组主要开展核酸纳米技术、核酸药物、生物大分子相互作用、新型生物材料、纳米生物医学领域的相关研究。详见课题组主页http://pharmacy.swu.edu.cn/info/1019/2079.htm.左华,西南大学药学院教授,博士生导师。2008年于韩国国立昌原大学取得博士学位,同年就职于西南大学,2014-2015年在美国普渡大学Chengde Mao教授课题组开展访学研究。近年来,利用核酸纳米技术、化学合成等技术手段,在核酸结构设计及功能评价、核酸与客体分子(核酸、蛋白质、多肽、小分子等)互作等方面进行了系统研究,取得了系列创新性成果:(1)DNA和RNA的结构在识别核酸方面的异同;(2)核酸通过碱基错配、三链体、适配体-配体驱动的非经典Waston-Crick作用以及多价作用识别客体分子;(3)发展了核酸设计中的极简策略;(4)核酸适配体在凝血通路中的调控作用;(5)以DNA为骨架的多价抗原多肽、免疫检查点多价适配体激动剂及免疫作用。成果发表在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Anal. Chem.、Small、Adv. Drug. Deliv. Rev.、《科学通报》等权威学术刊物。获授权发明专利3项。参编“十三五”国家重点出版物出版规划项目软物质前沿科学丛书《核酸纳米技术》专业书籍一部。研究领域为化学与生物传感、肿瘤成像与治疗。详见课题组主页http://pharmacy.swu.edu.cn/info/1019/3470.htm李春梅,西南大学药学院教授,博士生导师。2013年博士毕业于西南大学,2011-2013年在美国University of Florida(佛罗里达大学)联合培养,2014-2016年为西南大学师资博士后。主持国家自然科学基金青年基金、面上项目等国家级、省部级各类项目 10余项,以第一作者及通讯作者在 J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater., Biomaterials, Anal. Chem.等刊物发表SCI论文40余篇,论文被引近4000次,个人H因子33。授权国家发明专利1项,任Chinese Chem. Lett., JAT等期刊青年编委。课题组围绕肿瘤标志物灵敏检测、分子事件实时动态监测、微环境响应型肿瘤治疗展开研究,提出了 DNA 逻辑运算与分析测量信号相融合的思路,进而结合核酸自组装信号放大技术、多重荧光共振能量转移等策略,实现了癌症早期有关基因、小分子、蛋白质等重要生物标志物的快速、灵敏、准确检测,以及细胞凋亡等过程中胞内分子事件实时动态监测,并提出了肿瘤细胞表面微环境刺激响应的高效肿瘤治疗策略。
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