清華新聞網(wǎng)7月29日電 DNA連接酶憑借其穩(wěn)定且出眾的連接能力，不僅肩負(fù)細(xì)胞內(nèi)DNA的損傷修復(fù)，更在DNA分子重組中有許多妙用。DNA連接酶修復(fù)磷酸骨架的缺口來(lái)實(shí)現(xiàn)分子間的共價(jià)連接從而增強(qiáng)分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。但你是否有想象過(guò)，利用DNA連接酶的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)DNA納米結(jié)構(gòu)的多樣動(dòng)態(tài)變換？在缺口處斷裂的磷酸二酯鍵，是否能分開(kāi)本就鎖住的雙鏈？DNA連接酶好似巧奪天工的筆，勾勒磷酸二酯鍵的有與無(wú)，連接或者不連接，將會(huì)給我們描繪出不一樣的圖案和動(dòng)態(tài)世界。
在DNA納米技術(shù)領(lǐng)域，得益于其可編碼性和可尋址性，多樣而復(fù)雜的DNA結(jié)構(gòu)展示出納米尺度上的多種可能性。特別是在以DNA自組裝為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)變構(gòu)領(lǐng)域，存在許多種動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)納米結(jié)構(gòu)的方法，如由鏈置換反應(yīng)介導(dǎo)的或酶-DNA互作介導(dǎo)的動(dòng)態(tài)變構(gòu)效應(yīng)，從而衍生出巧妙獨(dú)特的可行使特定功能的動(dòng)態(tài)核酸結(jié)構(gòu)工具，如納米機(jī)器人等。在本研究中，本文作者構(gòu)建了一種基于DNA連接酶與DNA納米結(jié)構(gòu)相互作用的自定義可編碼平臺(tái)，利用DNA連接酶有效地增強(qiáng)納米結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基本特點(diǎn)，通過(guò)區(qū)分結(jié)構(gòu)內(nèi)可酶連（ligatable）與不可酶連（unligatable）部分在酶連處理后響應(yīng)外界刺激時(shí)穩(wěn)定性的差異，從而提出了DNA連接酶誘導(dǎo)DNA納米結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)重構(gòu)的方法（圖1）。
圖1.基于酶連處理的DNA納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提升及重構(gòu)
首先，作者從實(shí)驗(yàn)和理論模擬角度驗(yàn)證了DNA連接酶對(duì)DNA納米結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的提升效果。作者量化了DNA連接酶的連接效率，比較了DNA連接酶處理前后DNA納米結(jié)構(gòu)在熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性方面的提升和變化。如圖2所示，對(duì)比沒(méi)有進(jìn)行酶連處理的納米結(jié)構(gòu)，酶連結(jié)構(gòu)耐受溫度顯著性增高，并且模擬結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)大多都能保證完整，展示了酶連處理以增強(qiáng)納米結(jié)構(gòu)溫度穩(wěn)定性的優(yōu)越之處，也就是結(jié)構(gòu)中的組分不需要都被連接酶作用而共價(jià)連接也能在整體上更加穩(wěn)定，這與中國(guó)書(shū)法中的筆斷意連頗有神似之處。作者通過(guò)其他類(lèi)型的DNA納米結(jié)構(gòu)進(jìn)一步驗(yàn)證了酶連處理增強(qiáng)納米結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定性在的普適性。
圖2.酶連處理提升DNA納米結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性
（A）電泳結(jié)果；（B）溫度耐受曲線(xiàn)；（C）原子力顯微鏡結(jié)果；（D）和（E）模擬結(jié)果。
虛線(xiàn)：酶連處理前；實(shí)線(xiàn)：酶連處理后。
在提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，作者利用DNA連接酶實(shí)現(xiàn)DNA納米結(jié)構(gòu)內(nèi)堿基配對(duì)狀態(tài)在穩(wěn)定（“ON”）和不穩(wěn)定（“OFF”）之間轉(zhuǎn)換，以完成結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)。如圖3所示，一方面，通過(guò)設(shè)置缺口位點(diǎn)處是否磷酸化，可以使DNA納米結(jié)構(gòu)在DNA連接酶的處理下，顯示出響應(yīng)溫度信號(hào)的形態(tài)變化；另一方面，通過(guò)調(diào)整粘性末端配對(duì)的長(zhǎng)度，在DNA連接酶的作用下，可以將平片DNA納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成管狀立體結(jié)構(gòu)。在原子力顯微鏡下，以上動(dòng)態(tài)重構(gòu)被成功展示。
圖3.酶連處理實(shí)現(xiàn)DNA納米結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)
本研究系統(tǒng)性量化了DNA連接酶對(duì)核酸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，并為核酸納米結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)調(diào)控領(lǐng)域的應(yīng)用方向上提供了一種新思路。
該研究成果由清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院魏迪明分子設(shè)計(jì)課題組（MADlab）完成，于7月26日發(fā)表在《核酸研究》（Nucleic Acids Research）雜志上，論文題目為“由酶連處理誘導(dǎo)的DNA納米結(jié)構(gòu)的重構(gòu)”（Reconfiguration of DNA nanostructures induced by enzymatic ligation treatment）。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后白坦蹊和2018級(jí)博士生張佳旖為本文的共同第一作者，共同通訊作者清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院魏迪明副教授提出項(xiàng)目構(gòu)思和實(shí)驗(yàn)體系，共同通訊作者清華大學(xué)化學(xué)系劉冬生教授參與了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及動(dòng)力學(xué)研究指導(dǎo)。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、清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖中心等基金資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1093/nar/gkac606
供稿：生命學(xué)院
編輯：李若夢(mèng)
審核：李含
