不同维度的FNAs在多肽和蛋白精确组装中的研究进展

3.0 闻远设计 2024-04-20 12 4 1.7MB 7 页免费

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不同维度的 FNAs 在多肽和蛋白精确组装中的

研究进展

　摘　　　　　要：除了作为遗传信息的载体,DNA 所展现出的特殊材料性能引起了广泛关注。基于

碱基互补配对原则的精确性和可编程性使得核酸纳米结构的构建逐步从一维单链发展到二维平

面以及三维立体结构。计算机辅助工具的进步也促进了各种大小和形状的 DNA 纳米结构的自

动化设计, “而近年来构建的框架核酸(FNAs)”为生物大分子纳米尺度上的精确排列提供了新方

法,其固有的生物学功能以及可定制的特性使得其在物理、化学和生物等领域具有十分广阔的应

用前景。本文阐述了精确自组装的 FNAs 的概念,并概述了 FNAs 在蛋白精确组装等领域的最新

进展;重点论述了 FNAs 的优势所带来的对蛋白空间排布及其性能的调控能力,讨论了该领域存

在的挑战,并对其发展机遇进行了展望。

　　 Abstract 　：In addition to being the carrier of genetic information, DNA has attracted wide

interest as a new class of material in the synthetic realm. The exploitation of the precise and

programmable Watson-Crick base pairing of DNA or RNA has led to the development of exquisite

nucleic acid nanostructures from one to three dimensions. Advances in computer-aided tools have also

facilitated the automated design of DNA nanostructures with various sizes and shapes. The

“framework nucleic acids(FNAs)” constructed in recent years provide a new method for precise

organization of biological macromolecules with nanometer precision. The intrinsic biological

properties and tailorable functionalities of FNAs hold great promise for physical, chemical, and

biological applications. This review elaborates the concept of precise self-assembled FNAs, and

summarizes the recent advances of FNAs in the field of protein precise arrangement. The unique

features of FNAs that benefit the arrangement of proteins and their performance are highlighted. The

challenges and opportunities of this field are also discussed.

　 Keyword： Framework Nucleic Acids; DNA nanotechnology; DNA origami; Protein precise

arrangement;

DNA 双螺旋结构是生物体的遗传学基础[1],除了这种最着名的结构外,核酸在自然界中也存在着

许多其他的构型,例如单双链核糖开关、核酶[2]、环状 RNA[3]以及结构更加复杂的 G-四链体

[4]和i-motif[5]等(图1(a))。这些天然的特殊结构已经被证明在活细胞中起着重要作用,如细胞转

录控制、信号通路调控等。以自然为灵感,研究人员仿生构建了一系列更加复杂多样的 DNA 结

构,包括 DNA 瓦片[6,7]、DNA 四面体[8]、DNA 折纸[9,10]以及 DNA 和无机化合物杂交形成的

球形核酸[11,12]等(图1(b))。这些人造的 DNA 结构在调控活体和细胞内的生物进程方面具有极

大的潜力。

20 世纪 80 年代,Seeman 通过定量混合四个具有特定序列的人工合成 DNA 单链打破了细胞内非

固定的 Holliday 交叉的序列对称性限制,实现了固定的 Holliday 交叉的体外自组装[6,7]。Seeman

认为,具有 N(N≥3)条手臂链的 DNA 交叉都能够通过这种方法实现组装,并且通过设计用于杂交

的粘性末端,可以使具有多条手臂链的 DNA 交叉进一步自组装成为复杂的纳米结构[6]。这一成

果使 DNA 成为了不仅限于一维的纳米级聚合物,基于这一设想,科学家设计并建立了越来越复杂

多样、契合应用的 DNA 纳米结构

DNA 纳米结构的可编程性和纳米精准性以及结构丰富性等性质使其能够作为可控刚性支架在

纳米尺度精确排列多个分子,从而构建具有级联效应的分子网络。同时,DNA 纳米结构由于其不

同位点的序列特异性,可以作为纳米尺度的空间可寻址性支架,在这种情况下,能够实现生物分子

间距离和相对比率的精确调控[13,14]。这其中, “具有特殊物理化学特性的框架核酸(Framework

nuclear acids,FNAs)”纳米结构为体内和体外分子组装提供了新的思路[15,16,17,18,19]。FNAs 特

殊的理化性质主要体现在以下方面:第一,FNAs 本身是高度单分散纳米结构,与精度较差的无机

和有机纳米颗粒相比,其具有接近原子级别的精确度;第二,FNAs 能够实现小分子、大分子或是

纳米颗粒在纳米尺度上的精确位点调控[20,21,22,23,24];第三,FNAs 和单双链 DNA 在细胞内化

和分布方面有着显着的差异[25,26,27,28,29,30]。以 FNAs 的机械性能为例,FNAs 的刚性是高度

可控和可编程的。由于聚合物的延伸长度与半径的4次方成正比,由半径为10～100 nm 的FNAs

所构建的 DNA 纳米结构在延伸长度上超过单双链 DNA 4～6个数量级。因此,柔性的 DNA 手臂

链介导的无缝杂交而获得的刚性FNA 支架为纳米尺度结构的构建提供了明确的思路。

图1 种类丰富的核酸结构

Fig.1 A wide variety of nucleic acid structures

(a)自然界中存在的核酸结构[2～5];(b)人工设计的核酸结构[6,8,9,11]

到目前为止,科学家已经研究了 FNAs 介导的距离依赖性分子相互作用、底物通道化和区室化效

应等。此外FNAs 已经被用于构建从体外小分子生物传感器到复杂的体内治疗性药物递送系统

以及多酶网络等多种纳米器件[13]。本文分析了生物分子空间排列对其功能的影响,并进一步探

讨了不同维度的 FNAs 在多肽和蛋白的精确组装方面的最新研究进展。

　 1、一维线性框架核酸

随着DNA 化学合成的逐渐成熟,包括荧光染料、硫醇、生物素等在内的多种化学基团几乎可以

与FNAs 的组分链在任何位点实现共价连接[31],小分子官能团的共价修饰也成为了蛋白与核酸

结合的基础,FNAs 的精确自组装特性则可以实现对这些活性分子的精确空间调控。一维线性核

酸作为最简单的框架结构与各类共价结合修饰技术往往被用于调控双蛋白之间的空间分布从而

研究蛋白协同作用对其功能的影响。Freeman 等[32]的研究表明,DNA 双链能够调节多肽之间的

间距,实现对多肽协同作用的调控。多肽RGDS 和PHSRN 是纤维连接蛋白的组分,它们协同调控

细胞的黏附行为。以 DNA 双链作支架,他们优化了 RGDS 和PHSRN 之间的距离,提高了多肽协

同作用的效率,与对照组相比,细胞黏附效率提高了46%(图2(a))。

除了对不同蛋白协同作用的空间调控,一维 FNAs 也用于构建仿生的人工蛋白。以 FNAs 作为骨

架,实现了蛋白功能亚基的自组装。Niemeyer 等[33]利用FNAs 距离调控实现了细胞色素 P450

BM3 亚基的组装,BM3 含有两个亚基,即还原酶亚基BMR 和卟啉亚基BMP,两个亚基分别与

HaloTag 蛋白融合,HaloTag 蛋白分别与氯烷烃修饰的DNA 偶联,当DNA 通过碱基互补配对连接

在一起时,在特定的间距下,两个蛋白亚基能够实现重组,并且保留了BM3 的酶活性(图2(b))。

图2 一维线性框架核酸

Fig.2 1D framework nucleic acids

(a)利用框架核酸调整多肽RGDS 和PHSRN 的间距而调控它们之间的协同作用[32];(b)在框架核

酸支架上组装 BMR 还原酶结构域和 BMP 卟啉结构域，探究细胞色素 P450 BM3 的距离依赖性

亚基自组装[33];(c)利用框架核酸实现 β-半乳糖苷酶的有序自组装[34];(d)框架核酸上组装马达蛋

白仿生模拟其生物学功能[35]

(a) FNAs were used to tune the distance between the peptides RGDS and PHSRN for study of their

synergy[32];(b) Design of distance-dependence study of cytochrome P450 BM3 subunit self-assembly

with organizing the BMR reductase domain and the BMP porphyrin domain on FNA[33];(c)

Controllable self-assembly ofβ-galactosidase using FNA[34];(d) An ensemble of motor proteins on

FNA for biomimicking of biological functions[35]

FNAs 的高效自组装使得其在蛋白质工程领域也有着应用价值。依托一维 FNAs 的线形结

构,McMillan 等[34]使用对称四聚体蛋白质β-半乳糖苷酶作为模型蛋白,将265 号位的苏氨酸突

变成半胱氨酸,用于在蛋白顶部和底部分别交联马来酰亚胺修饰的DNA,利用DNA 介导的方向

控制促使 β-半乳糖苷酶轴向排列成一维 DNA-蛋白质纳米线,而不是非特异性聚集(图2(c))。这

种FNAs 介导的蛋白有序聚集也被应用于构建仿生的生物反应体系,进而研究生物体内的反应进

程,例如马达蛋白的生物学功能。研究者在FNAs 支架上组装多种马达蛋白分子来研究它们之间

的相互作用,Derr 等[35]利用DNA 折纸研究了动力蛋白和驱动蛋白在细胞微管上运送货物的轨

迹,在十二螺旋束DNA 折纸上组装了极性相反的动力蛋白和驱动蛋白,仿生模拟了这两种蛋白在

“ ”细胞微管上的拔河行为(图2(d))。还有研究者开发了基于马达蛋白和 DNA 复合物的人工自组

装运输系统,在特定分子的诱导下,该系统能够实现组装和拆卸以及在分子轨道上装卸货物。

2 　、二维平面框架核酸

天然存在的细胞通路以及级联反应大多需要多个蛋白参与,一维线性的 FNAs 本身修饰位点的匮

乏限制了多蛋白协同以及蛋白级联反应的研究。基于 DNA 可编程性,科学家设计了更为丰富、

维度更高的DNA 纳米结构。二维 FNAs 由于其特殊的平面结构以及表面粘性末端的可设计性,

实现了平面限域酶级联体系的精确组装,基于此对多蛋白协同作用进行研究,并通过分子开关实

现了蛋白级联反应的人工干预。基于 FNAs 的精确自组装和可寻址性,Wilner 等[36]率先在二维

六角形支架上实现了葡萄糖氧化酶(GOX)/辣根过氧化物酶(HRP)蛋白纳米精度的自组装,以二维

六角形DNA 阵列作为支架,通过改变探针链的位置来实现蛋白空间分布的人工调控。由于六边

形DNA 框架的距离调控与表面限域作用,反应中间产物过氧化氢的扩散效率更高,因而实现更高

的级联效率。因此,以两个六边形DNA 框架作为支架时的酶活性比四个六边形DNA 框架高出

20%(图3(a))。有趣的是,这种距离决定的级联效率却不是完全随距离增加而逐渐降低的。基于

DNA 纳米材料的高纳米精度,科学家利用DNA 平面结构进行了更精确的距离控制,系统地研究

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不同维度的FNAs在多肽和蛋白精确组装中的研究进展　摘　　　　　要：除了作为遗传信息的载体,DNA所展现出的特殊材料性能引起了广泛关注。基于碱基互补配对原则的精确性和可编程性使得核酸纳米结构的构建逐步从一维单链发展到二维平面以及三维立体结构。计算机辅助工具的进步也促进了各种大小和形状的DNA纳米结构的自动化设计,“而近年来构建的框架核酸(FNAs)”为生物大分子纳米尺度上的精确排列提供了新方法,其固有的生物学功能以及可定制的特性使得其在物理、化学和生物等领域具有十分广阔的应用前景。本文阐述了精确自组装的FNAs的概念,并概述了FNAs在蛋白精确组装等领域的最新进展;重点论述了FNAs的优势所带...

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