清華新聞網(wǎng)3月22日電 近年來(lái)，DNA納米結(jié)構(gòu)已在諸如環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物計(jì)算、智能材料等眾多領(lǐng)域顯現(xiàn)出可觀(guān)的應(yīng)用前景。憑借優(yōu)異的可編碼性，DNA分子通過(guò)精確的堿基序列互補(bǔ)配對(duì)得以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的高階組裝，從而形成具有特殊形貌、既定功能的納米結(jié)構(gòu)。迄今為止，絕大多數(shù)DNA納米結(jié)構(gòu)的研究皆是依賴(lài)于對(duì)單鏈DNA分子之間組裝行為的操控，罕有文獻(xiàn)記載過(guò)將自然界更為常見(jiàn)的雙鏈DNA作為構(gòu)筑單元進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建。這種對(duì)單鏈DNA的高度依賴(lài)性在很大程度上限制了DNA納米結(jié)構(gòu)在細(xì)胞內(nèi)的應(yīng)用空間。鑒于此，清華大學(xué)生命學(xué)院和醫(yī)學(xué)院的研究者合作開(kāi)發(fā)了一種全新的DNA納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，該策略可以將雙鏈DNA作為構(gòu)筑單元從而使其進(jìn)行組裝形成復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)。
基于前期對(duì)DNA三螺旋的諸多探索，研究者對(duì)三螺旋的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有了不斷深入的了解，相關(guān)設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)也得到了不斷的積累和豐富。研究者根據(jù)DNA三螺旋的特點(diǎn)，嘗試將其應(yīng)用于雙鏈DNA的自組裝。DNA三螺旋是在普通的Watson-Crick雙螺旋的基礎(chǔ)上，通過(guò)第三條鏈（TFO）以Hoogsteen或反式Hoogsteen堿基配對(duì)的方式插入到雙鏈DNA的大溝之中形成的。受此結(jié)構(gòu)特性啟發(fā)，研究者對(duì)TFO鏈進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，使每條TFO鏈包含兩部分，每部分都可以獨(dú)立地識(shí)別一條較長(zhǎng)的雙鏈DNA骨架上的特定位點(diǎn)。在眾多TFO鏈的輔助下，該雙鏈DNA骨架通過(guò)其上眾多結(jié)合位點(diǎn)之間復(fù)雜有序的連接網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行折疊組裝，形成符合預(yù)期設(shè)計(jì)的納米結(jié)構(gòu)。通過(guò)這種組裝策略，研究者成功地設(shè)計(jì)了多種多樣的DNA納米結(jié)構(gòu)，這些納米結(jié)構(gòu)的正確組裝也進(jìn)一步驗(yàn)證了此策略的可行性和可靠性。
圖1.利用三螺旋結(jié)構(gòu)元素指導(dǎo)雙鏈DNA進(jìn)行折疊組裝。（A）組裝過(guò)程示意圖（B）三螺旋結(jié)構(gòu)形成位點(diǎn)以及TFO鏈結(jié)構(gòu)示意圖
憑借著此策略對(duì)雙鏈DNA構(gòu)象的可控性調(diào)節(jié)，研究者接下來(lái)又初步探索了雙鏈DNA構(gòu)象調(diào)節(jié)在轉(zhuǎn)錄活動(dòng)中可能發(fā)揮的作用。研究者將目的基因前端序進(jìn)行折疊形成特定的構(gòu)象，使其抑制轉(zhuǎn)錄元件與啟動(dòng)子之間的識(shí)別和結(jié)合從而抑制相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平，并通過(guò)模塊化的組裝設(shè)計(jì)，確定了構(gòu)象折疊程度與轉(zhuǎn)錄水平的關(guān)聯(lián)。該研究建立了新的組裝策略，拓展了核酸納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)空間，豐富了DNA納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景，對(duì)今后DNA納米結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。
圖2.基于對(duì)雙鏈DNA構(gòu)象的調(diào)控實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄水平的可控調(diào)節(jié)。利用納米結(jié)構(gòu)的空間位阻，影響相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子與啟動(dòng)子之間的結(jié)合從而控制轉(zhuǎn)錄水平
該成果由清華大學(xué)生命學(xué)院魏迪明分子設(shè)計(jì)課題組（MADlab）和清華大學(xué)免疫所、醫(yī)學(xué)院曾文文課題組合作完成，論文題為“基于三螺旋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙鏈DNA的可控組裝”（Custom folding of double-stranded DNA directed by triplex formation），于3月21日在線(xiàn)發(fā)表于《化學(xué)》（Chem）期刊。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院已畢業(yè)的2017級(jí)博士生張?zhí)烨绾歪t(yī)學(xué)院2017級(jí)博士生錢(qián)鑫民為本文的共同第一作者。其中張?zhí)烨绾颓迦A大學(xué)生命學(xué)院魏迪明副教授、清華大學(xué)免疫所曾文文副教授共同為本文的通訊作者。該研究得到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心等的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2023.02.018
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
