Nature子刊：DNA表面的组装实现大批量DNA螺旋构象的转换

【引言】

在具有高空间和时间精准度的细胞水平层面，生物分子单元的分层组装举足轻重。举个例子，例如复杂蛋白质的复制、合成、分解、修复和转移，它们的移动以及相互间的协同合作共同调节生命的基本功能。核酸分子不如蛋白质活跃，它需要与特定的蛋白质连在一起，形成分层的结构。例如杆状的烟草花叶病毒，核酸是它最基本的结构，核酸外层包覆满了蛋白质。受到病毒复杂分层结构的启发，研究人员投入了大量精力设计与病毒结构相似的人工病毒。然而，通过这种包装方法得到的人工病毒有缺陷，它的核酸动力学对环境的改变非常的敏感，这严重限制了核酸的基本功能，例如核酸的构象动态转换——双螺旋脱氧核苷酸（DNA）在右手螺旋的B-DNA与左手螺旋的Z-DNA之间的构象转换。

【成果简介】

近日，吉林大学的Myongsoo Lee(李明洙)等人，在生理条件下，通过调节pH，实现了人工病毒大批量DNA螺旋构象转换，且此病毒具有原始DNA和合成蛋白质的分层组装结构。他们还发现，这种螺旋构象转换发生在具有组装外层的DNA进入到细胞内间隔期间。将DNA构象动力学原理推广应用到更高层次的构象动力学，可能开创基于DNA的纳米机器。相关成果以“Collective helicity switching of a DNA–coat assembly”为题，于3月27日发表在Nature Nanotechnology杂志上。

【图文导读】

图1 DNA表面分子的自组装示意图和具有组装表面DNA的构象转换示意图

（a）DNA表面蛋白质分子结构（1含有吡啶，2含有甲基吡啶）；

（b）pH为7.4的条件下，表面组装DNA的示意图；

（c）在pH为7.5和pH为5.5的不同条件下，DNA表面蛋白质分子的重排和可逆转换示意图；

（d）不同pH条件下，DNA的螺旋转换和外层合成蛋白质的组装示意图。

图2 pH为7.4时，表面组装螺旋DNA的尺寸和排列方式图

（a）DNA溶液中,不同吡啶/磷酸比的条件下,表面组装DNA的CD光谱图（插图纵坐标表示313nm条件下CD强度,横坐标表示吡啶/磷酸比）；

（b）271 μm表面组装DNA的TEM图（插图是冷冻透射电子显微镜图）；

（c）在pH为7.4的氯仿溶液中，271 μm 表面组装DNA的吸收和荧光光谱。

图3 不同pH条件下，DNA螺旋构象转换图

（a）271 μm表面组装DNA的拉曼光谱图（上图：pH=7.4，磷酸钾缓冲液；下图：pH=5.5，醋酸钠缓冲液）；

（b）5 mm磷酸或醋酸缓冲液中，271 μm表面组装DNA的AFM相图（左图：pH＝7.4，右手螺旋；右图：pH＝5.5，左手螺旋）；

（c）5 mM缓冲液中，271 μm表面组装DNA的CD光谱图（pH为7.4-6.5的磷酸钾缓冲液，pH为5.5-4.5的醋酸钠缓冲液）；

（d）pH＝5.5的5 mm醋酸缓冲液中，271 μm表面组装DNA的TEM图（插图是低温TEM图）；

（e）pH＝7.4和pH＝5.5时，表面组装DNA分子动力学模拟图。

图4 从细胞外基质转移到细胞内的隔间的过程中，DNA发生螺旋构象转换

（a-c）用表面组装DNA处理海拉细胞24h后的荧光图（a：无滤光荧光图；b：将λex =340−380 nm光滤光后的荧光图；c：将λex =510−560 nm光滤光后的荧光图）；

（d）海拉细胞（含有表面组装DNA）的TEM图；

（e）细胞内的表面组装DNA显微放大图呈纤维状；

（f）表面组装DNA转移到细胞内的隔间过程中，发生螺旋转换的CD光谱图；

（g）不同pH和有无表面蛋白质的条件下，脱氧核糖核酸酶对DNA在260 nm条件下的吸收率。

【小结】

1、证明了基于吡啶非手性的表层蛋白质能包覆原DNA，形成能发生螺旋手性转换且含有表面蛋白质的人工病毒型纳米结构的DNA。
2、pH＝7.4时，DNA激发表面蛋白，成为右手螺旋结构；pH＝5.5时，表面组装DNA由右手螺旋结构转换为左手螺旋结构，且表面组装蛋白尺寸收缩。
3、在细胞内，DNA转移时，pH的改变也是促使表面组装DNA发生手性螺旋构象转换的原因。

文献链接：Collective helicity switching of a DNA–coat assembly（Nature Nanotech, 2017, DOI: 10.1038/NNANO.2017.42）

本文由材料人编辑部高分子小组熊文杰提供，材料牛编辑整理。

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