Nature子刊：DNA表面的組裝實現大批量DNA螺旋構象的轉換

【引言】

在具有高空間和時間精準度的細胞水平層面，生物分子單元的分層組裝舉足輕重。舉個例子，例如復雜蛋白質的復制、合成、分解、修復和轉移，它們的移動以及相互間的協同合作共同調節生命的基本功能。核酸分子不如蛋白質活躍，它需要與特定的蛋白質連在一起，形成分層的結構。例如桿狀的煙草花葉病毒，核酸是它最基本的結構，核酸外層包覆滿了蛋白質。受到病毒復雜分層結構的啟發，研究人員投入了大量精力設計與病毒結構相似的人工病毒。然而，通過這種包裝方法得到的人工病毒有缺陷，它的核酸動力學對環境的改變非常的敏感，這嚴重限制了核酸的基本功能，例如核酸的構象動態轉換——雙螺旋脫氧核苷酸（DNA）在右手螺旋的B-DNA與左手螺旋的Z-DNA之間的構象轉換。

【成果簡介】

近日，吉林大學的Myongsoo Lee(李明洙)等人，在生理條件下，通過調節pH，實現了人工病毒大批量DNA螺旋構象轉換，且此病毒具有原始DNA和合成蛋白質的分層組裝結構。他們還發現，這種螺旋構象轉換發生在具有組裝外層的DNA進入到細胞內間隔期間。將DNA構象動力學原理推廣應用到更高層次的構象動力學，可能開創基于DNA的納米機器。相關成果以“Collective helicity switching of a DNA–coat assembly”為題，于3月27日發表在Nature Nanotechnology雜志上。

【圖文導讀】

圖1 DNA表面分子的自組裝示意圖和具有組裝表面DNA的構象轉換示意圖

（a）DNA表面蛋白質分子結構（1含有吡啶，2含有甲基吡啶）；

（b）pH為7.4的條件下，表面組裝DNA的示意圖；

（c）在pH為7.5和pH為5.5的不同條件下，DNA表面蛋白質分子的重排和可逆轉換示意圖；

（d）不同pH條件下，DNA的螺旋轉換和外層合成蛋白質的組裝示意圖。

圖2 pH為7.4時，表面組裝螺旋DNA的尺寸和排列方式圖

（a）DNA溶液中,不同吡啶/磷酸比的條件下,表面組裝DNA的CD光譜圖（插圖縱坐標表示313nm條件下CD強度,橫坐標表示吡啶/磷酸比）；

（b）271 μm表面組裝DNA的TEM圖（插圖是冷凍透射電子顯微鏡圖）；

（c）在pH為7.4的氯仿溶液中，271 μm 表面組裝DNA的吸收和熒光光譜。

圖3 不同pH條件下，DNA螺旋構象轉換圖

（a）271 μm表面組裝DNA的拉曼光譜圖（上圖：pH=7.4，磷酸鉀緩沖液；下圖：pH=5.5，醋酸鈉緩沖液）；

（b）5 mm磷酸或醋酸緩沖液中，271 μm表面組裝DNA的AFM相圖（左圖：pH＝7.4，右手螺旋；右圖：pH＝5.5，左手螺旋）；

（c）5 mM緩沖液中，271 μm表面組裝DNA的CD光譜圖（pH為7.4-6.5的磷酸鉀緩沖液，pH為5.5-4.5的醋酸鈉緩沖液）；

（d）pH＝5.5的5 mm醋酸緩沖液中，271 μm表面組裝DNA的TEM圖（插圖是低溫TEM圖）；

（e）pH＝7.4和pH＝5.5時，表面組裝DNA分子動力學模擬圖。

圖4 從細胞外基質轉移到細胞內的隔間的過程中，DNA發生螺旋構象轉換

（a-c）用表面組裝DNA處理海拉細胞24h后的熒光圖（a：無濾光熒光圖；b：將λex =340?380 nm光濾光后的熒光圖；c：將λex =510?560 nm光濾光后的熒光圖）；

（d）海拉細胞（含有表面組裝DNA）的TEM圖；

（e）細胞內的表面組裝DNA顯微放大圖呈纖維狀；

（f）表面組裝DNA轉移到細胞內的隔間過程中，發生螺旋轉換的CD光譜圖；

（g）不同pH和有無表面蛋白質的條件下，脫氧核糖核酸酶對DNA在260 nm條件下的吸收率。

【小結】

1、證明了基于吡啶非手性的表層蛋白質能包覆原DNA，形成能發生螺旋手性轉換且含有表面蛋白質的人工病毒型納米結構的DNA。
2、pH＝7.4時，DNA激發表面蛋白，成為右手螺旋結構；pH＝5.5時，表面組裝DNA由右手螺旋結構轉換為左手螺旋結構，且表面組裝蛋白尺寸收縮。
3、在細胞內，DNA轉移時，pH的改變也是促使表面組裝DNA發生手性螺旋構象轉換的原因。

文獻鏈接：Collective helicity switching of a DNA–coat assembly（Nature Nanotech, 2017, DOI: 10.1038/NNANO.2017.42）

本文由材料人編輯部高分子小組熊文杰提供，材料牛編輯整理。

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