对Holliday junction的重新审视：静态和动态角度控制

　　

随着DNA纳米技术的蓬勃发展，日益复杂的多功能DNA纳米结构已以多种方案被成功构建。通过拓扑和几何特性控制和提高DNA纳米结构的精度，可进一步增强所构建结构的功能性。设计精度从纳米级跨越到埃级必将赋予DNA结构更多功能特性，比如精确的生物分子结合界面和理性设计的酶活性。其相关下游应用将包括单分子生物物理作业平台，高灵敏度环境生物和化学分子检测，及理性药物分子设计和筛选。作为DNA纳米结构中无处不在的基本结构模块，分支模块（Branched DNA motifs）特别是immobile Holliday junctions的精确角度控制已成为进一步提高整体结构精度的关键挑战之一。为实现这一目标，清华大学魏迪明分子设计课题组（MADlab）和纽约大学纳德里安·西曼（Nadrian C. Seeman）课题组合作，提出了利用两种方案来控制四臂分支模块晶格（four-arm junction lattices）的分支方向。

第一种方案基于immobile Holliday junctions结构，通过分支点处的特定核苷酸序列控制四臂分支模块的螺旋堆叠模式，进而实现分支方向的控制。

图1 基于分支点处的特定核苷酸序列的四臂分支模块方向控制。左图：分别由不同螺旋堆叠模式(P或L)的四臂分支模块构成的宽、窄带状结构示意图；右图：两组由具有特定分支点核苷酸序列的结构模块（JP与JPR，JL与JLR）构成的带状结构，从上到下依次为：特定分支点核苷酸序列及螺旋堆叠模式预测、AFM图像。比例尺：100纳米。

第二种方案利用角度控制支柱来实现柔性四臂分支模块的角度控制。通过三角化支柱的几何控制以实现对松弛连接晶格的特定角度控制。除了静态角度控制外，该方案还可用于二维晶格的动态角度控制。本研究证明动态角度控制可通过经典的Watson-Crick碱基配对或非经典的碱基相互作用（例如，i-motif和G-四链体）实现。

图2 基于角度控制支柱的四臂分支模块角度控制。左图：基于三角化支柱的松弛连接晶格的特定角度控制；右图：基于pH响应的三角化支柱（i-motif）的松弛连接晶格的动态角度控制。从上到下依次为：结构示意图、AFM图像。比例尺：100纳米

该研究成果由清华大学生命学院魏迪明分子设计课题组（MADlab）和纽约大学西曼课题组共同完成，论文题目：“可重构的二维DNA晶格：静态和动态角度控制”（Reconfigurable Two-Dimensional DNA Lattices: Static and Dynamic Angle Control），于2021年10月1日在线发表于《应用化学》（Angewandte Chemie）。清华大学生命科学学院博士后王雯为本文的第一作者，清华大学生命科学学院魏迪明副教授和纽约大学西曼教授为本文的共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委、清华-北大生命科学联合中心、清华大学结构生物学高精尖中心、美国自然基金（NSF）、美国陆军研究办公室（ARO）、美国海军研究办公室（ONR）、美国能源部（DOE）、美国国家卫生院（NIGMS）等机构的基金资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202112487