上交大&上海应用物理所 Nat. Commun.：利用DNA折纸技术表位捕获瞬时的抗体构象

【背景介绍】

研究表明，抗体（Ab）-抗原（Ag）相互作用是哺乳动物免疫系统中重要的自然防御策略。因此，Ab-Ag结合过程的基本机制对于理解免疫学非常重要，但是在单分子水平上揭示动态Ab-Ag相互作用仍然很困难。在探究Ab-Ag相互作用的历程中，X射线晶体学为通过实验检验Ab-Ag相互作用提供了一种途径。其中，低温电子显微镜（cryo-EM）可作为以原子分辨率对单个Abs成像的工具，提供了确定复杂结构的空前能力。然而，由于缺乏低温EM的时间分辨能力，有关构象灵活性和中间Ab-Ag复合物的重要信息可能会丢失。幸运的是，原子力显微镜（AFM）在生理条件下对生物分子进行成像，为探测Ab-Ag相互作用提供了另一种途径。最近，高速（HS）AFM提供了最高的视频速率时间分辨率，揭示了某些类型的IgGs动态过程，但是在HS模式下通常会牺牲空间分辨率。因此，利用AFM对瞬态功能性Ab-Ag复合物进行高分辨率成像难以实现。

【成果简介】

基于此，上海交通大学的樊春海教授、中科院上海应用物理研究所的李宾研究员和胡钧研究员（共同通讯作者）等人联合报道了一种三角形的DNA折纸骨架，具有特定位置的锚定和空间组织的人工表位，可在室温下捕获免疫球蛋白Gs（IgGs）的瞬时构象。其中，DNA折纸表位（DOEs）允许表位瞬间的程序化空间分布，从而可以使用原子力显微镜（AFM）对功能复合物进行直接成像。在本文中，作者建立了IgG亲和力对单分子水平上3-20 nm内表位横向距离的关键依赖性。瞬时构象的高速AFM成像进一步为在单一事件中从单价到二价的IgG亲和力提供了结构和动态证据，这为包括病毒中和、诊断检测和癌症免疫疗法在内的各种应用提供了思路。研究成果以题为“Capturing transient antibody conformations with DNA origami epitopes”发布在国际著名期刊Nat. Commun.上。

【图文解读】

图一、基于DOE的IgGs捕获
（a）病毒颗粒表面上抗原决定簇峰的不均匀分布的示意图；

（b）设计、模仿病毒的DOEs用于IgG捕获和结合；

（c）利用PeakForce-AFM图像进行基于DOEs的IgG捕获；

（d）（c）中黄色虚线正方形的放大图；

（e）Fc和结合IgG的两个Fab结构域的高分辨率HS-AFM图、IgG的原子结构、DOEs结合IgG中三个结构域的横截面轮廓。

图二、HS-AFM表征DOE限制的IgG构象灵活性和Fab-Fab距离
（a）由设计距离分别为5、8、10和16 nm的DOEs捕获的单个IgGs不同构象的示意图；

（b）两个Fab结构域的重心之间的测得距离以及配对表位的设计距离的示意图；

（c）设计的digoxin距离与IgGs中Fab的测得距离之间的关系。

图三、IgG与DOEs结合的动力学
（a）HS-AFM图像用于三个阶段结合过程的时间演化，从漂移到单价结合，再分别是设计距离分别为3、10和16 nm DOEs的二价结合；

（b）三个阶段绑定过程和相应的HS-AFM图像的示意图；

（c）单分子FRET轨迹和10 nm位点结合的hidden Markov模型拟合。

图四、引起IgG亲和力的工程DOEs
（a）IgG-DOE的单价到二价结合跃迁动力学的散点图，以及IgG结合效率的直方图随DOEs上设计距离变化而变化；

（b）过程粒度的分子动力学计算；

（c）使用过程粒度分子动力学计算和DOE上二价结合IgG的相应HS-AFM图像、典型的模拟游离IgGs构象。

【小结】

综上所述，作者设计了DOEs，通过利用DNA折纸技术的空间可寻性来模拟表位在病毒颗粒上的距离分布。DOEs的定位能力和刚度使IgG能够在室温下冻住，以便在单分子水平对瞬时的功能性IgG结合构象进行高分辨率成像。通过对DOEs上抗原决定簇横向距离的可编程控制，可以精确确定抗原决定簇与抗原决定簇之间的亲和力。此外，该DOE平台还支持HS-AFM和smFRET分析，以探测DOE上单个IgG结合的动力学。研究发现IgGs可以响应从短到长的表位距离，采取从高紧密度到远距离伸展的灵活构象。重要的是，当两个表位间隔约10 nm时，二价IgG的结合动力学和效率最高。总之，DOEs的可设计性和可编程性提供了一种直观的方法来模仿病毒表位的分布。因此，DOEs不仅增加了在单分子水平上理解Ab-Ab相互作用的设计空间，而且为免疫工程提供了潜在的强大平台。

文献链接：Capturing transient antibody conformations with DNA origami epitopes.（Nat. Commun., 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-16949-4）

本文由CQR编译。

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