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核酸分子工程与纳米技术实验室

JACS | 采用DNA origami策略的病毒蛋白可编程动态组装

作者:张铭芷

在生物体系中,生物分子的组装通常是一个动态复杂的过程,其中会涉及多种生物分子的信息交换和调节,如病毒组装过程。近日,由Qiangbin Wang和Yonggang Ke团队报道的一项工作探讨了利用DNA origami实现可编程动态组装产生核酸-蛋白杂化纳米结构的可能:利用烟草花叶病毒的衣壳蛋白及其RNA序列设计了一个基于核酸的系统,用于对病毒蛋白的动态组装过程进行编程。

如上图所示,烟草花叶病毒模仿基因组的RNA通过与一系列DNA链杂交锚定在DNA origami形成的结构上。DNA origami形成的结构提供了一种可寻址的平台,它在适当的距离设置延长的DNA链形成“锚定位点”,延长链通过与RNA互补结合使得RNA链被按照预先设计的方式被固定。RNA链的起始端存在装配序列起始位点,用于触发烟草花叶病毒衣壳蛋白的原位装配。“锚定位点”的延长链中包含可进行链置换反应的toehold区域,可通过外加相应的信号链用于触发RNA链的释放,若未被成功释放,会使蛋白组装停止。

为了更方便地监测反应进程,作者在“锚定位点”的两条链上分别修饰了FAM荧光和猝灭剂。当RNA链被释放,该位点会发出荧光,因此通过荧光强度可以直观地监测反应进程。

在平面结构上成功组装后,作者试图在三维立体结构中重复这一策略。在实际的应用场景中,具有空间结构保护的装置相比二位平面结构更具有应用价值。作者设计将烟草花叶病毒组装在DNA origami桶中:类似于在二维平面上的组装和锚定策略,通过将RNA路径精确地排列在DNA桶的内表面上,能够将烟草花叶病毒衣壳蛋白亚基的原位动态组装引导到桶的封闭空间中。但即便如此仍然会存在由于RNA链延伸到桶外使得结构在桶外被组装的可能性。

这项工作展示了一种可控的纳米结构自组装策略,且调控方式可通过特异的信号精确地控制反应进程,这对生物医学应用中一些需要精准控制、精确监测的智能器件的设计提供了新思路。此外,这种通过“锚定点”释放而产生荧光信号,通过检测荧光强度检测反应进程的方式为监测和控制纳米器件的自组装提供了简单方便的方法。

Kun Zhou, Yihao Zhou, Victor Pan, Qiangbin Wang, and Yonggang Ke, Programming Dynamic Assembly of Viral Proteins with DNA Origami, Journal of the American Chemical Society Article ASAP, DOI: 10.1021/jacs.9b13773.

 

2020年5月14日 18:42
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