韩 达 课 题 组

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ANGEW CHEM丨寡肽的纳米自组装及其顺序分解

作者:徐锐

今天为大家带来是发表在“德国应化”上的一篇文章,题目为“Nano-assembly of Oligopeptides and DNA-Mimicking Sequential Disassembly of Spherical Virus”。文章的作者是来自香港科技大学的周迎教授。她长期致力于生物医学工程、药物递送、多聚物与多肽的设计以及组织工程方面的研究。

球状病毒的重要结构单元是一类具有较低的纵横比(宽/长)以及刺激响应能力的蛋白质亚基。这些重复亚基之间的相互作用使得基因组包裹的层级组装和通过顺序分解来实现基因组的优先释放成为可能。在此,作者模拟了这一特点并构建了人工球状病毒。首先,作者设计了一个由22个氨基酸形成的多肽。此多肽包含有pH-响应性组氨酸以及可以自组装成低纵横比(~7x7x4nm)纳米盘的芳香烃基团。在DNA存在时,纳米盘内部的相互作用驱动其形成一个类病毒衣壳的结构,将DNA包裹在其中。这种人工病毒约为50nm且能够在酸性pH下部分分解。降解后的中间产物降低了DNA结合亲和力进一步保护DNA免受核酸酶的降解。像这样既模拟了复杂的形态学又模拟了球状病毒在细胞内转换的纳米结构,可以用来构建有效的基因递送载体。

 

病毒是自然界中最有效的基因递送载体。科学家们从中获得灵感,构建了一些人工病毒用于基因治疗。其中球状病毒是一种很有效的模型系统。研究病毒衣壳的自组装和分解可以帮助我们更好的理解病毒的结构。一些特定的蛋白质通过在两个水平上的自组装形成了球状病毒的衣壳:第一,蛋白质的单体相互作用形成小于10nm的低纵横比的亚基。第二,这些亚基在病毒基因组周围组装成了尺度在20-400nm之间的结构从而保护了基因组。当然,病毒除了要保护自己的基因组不被破坏,还要在合适的时候将其基因组释放出来从而使它们能够感染宿主细胞。正是通过调节这些蛋白质亚基的相互作用病毒实现了这一能力。

作者课题组之前成功构建了基于多肽的球状病毒模拟物,并且命名为nanococoon。由于其较高的纵横比使得分解起来非常困难。因此作者在本文中使用了低纵​横比的纳米结构并且证明了这样了结构更容易分解和释放DNA。

为了构建类病毒结构的低纵横比的人工多肽,作者认为需要以下几个条件(如图1a):第一,多肽序列应该为ABA’(A, A’: 亲水性结构;B:疏水性结构)通过1:1组装且具有低纵横比。第二,多肽需要在中间β折叠局域具有芳香烃基团来驱动多肽的自组装,并且亚基之间可以通过π-π堆积和疏水作用力进一步完成自组装。第三,在多肽末端或者是β折叠的中间需要具有一些刺激响应性的基团例如(pH-响应的组氨酸)能够使得该纳米结构在受到相应刺激时分解并从核内体中释放出DNA。多肽K5-L8(图1b)来源于作者之前设计的多肽作为起始物。由四个亮氨酸组成,但是作为中间β折叠部分用两个组氨酸和带有两个芳香烃基团的氨基酸取代(苯丙氨酸 F或者是苯甲基化的半胱氨酸 CBzl)。四个组氨酸作为另一个pH-响应部分放在N端。另外,作者还设计了几组对照多肽来评估组氨酸的位置和芳香烃基团的数量对于结构的影响。

 

图1. 多肽设计及多肽组装的形态。a)以H4K5-HCCBzlCBzlH为代表证明了多肽的化学结构和功能部分。b)多肽的主要结构以及N端的H-patch和中间部分基团。c)这些多肽以0.75 mM浓度在中性pH的10mM HEPES缓冲液中组装并且室温下孵育30min后负染的TEM图。

 

图2. 多肽H4K5-HCBzlCBzl纳米盘的结构表征。a)多肽纳米盘(蓝线)和多肽DNA纳米果(红线)的FTIR酰胺条带。β折叠条带位于1630cm-1处。b)多肽纳米盘(蓝色)、纳米果(红色)、松散结构(绿色)中的色氨酸在不同多肽序列中不同位置时的最大荧光吸收峰。c)纳米盘的结构模型。

 

图3. 多肽-DNA 共组装。a)H4K5-HCBzlCBzlH-DNA纳米果;b)H0K5-HCBzlCBzlH-DNA 纳米茧;c)H4K5-LCBzlCBzlL-DNA纳米果的TEM图。d)H4K5-HCBzlCBzlH-DNA纳米果和DNA分别在DNase I不存在和存在时的琼脂糖凝胶电泳图。e)作者提出的以DNA为模板的纳米果形成过程,最终将DNA包裹在多肽内部。

 

图4.在酸性条件下H4K5-HCBzlCBzlH-DNA松散的中间产物的性质。a)H4K5-HCBzlCBzlH-DNA松散复合物的TEM图。b)和c)H4K5-HCBzlCBzlH-DNA纳米果在pH7和其在pH5时松散结构的琼脂糖凝胶电泳。d)pH5下松散结构的共聚焦图。红色是罗丹明标记的多肽。蓝色是Cy5标记的DNA,粉色为两者叠加。e)纳米果分解的分步结构模型。

 

图5. H4K5-HCBzlCBzlH-DNA纳米果的细胞内化和转基因表达。荧光显微镜显示了转染后的Hek293细胞:a)负对照DNA,b)正对照脂质体-DNA以及c)H4K5-HCBzlCBzlH-DNA纳米果。d)H4K5-HCBzlCBzlH-DNA纳米果以及e)脂质体-DNA对单个Hek293细胞处理口的共聚焦照片。

绿色是lysotracker,蓝色是Cy5-DNA。f)基因转染表达效率流式细胞仪统计结果。g)DNA内化效率的流式细胞仪统计结果。

总之,作者构建了一种人工球状病毒。通过合理的设计,成功地模拟了病毒衣壳地组装和分解,并且运用到了基因转染中。达到了比脂质体DNA更好的转染效果。

Ni R , Chau Y . Nanoassembly of Oligopeptides and DNA Mimics the Sequential Disassembly of a Spherical Virus[J]. Angewandte Chemie, 2020, 132(9): 3578.

 

2020年10月8日 14:46
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