Nature：揭示经折叠后模拟GFP蛋白活性的DNA的三维结构

在一项新的研究中，来自美国威尔康乃尔医学院和美国国家心肺与血液研究所的研究人员发现DNA可以通过折叠成复杂的三维结构来模拟蛋白的功能。相关研究结果于2023年6月21日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Intricate 3D architecture of a DNA mimic of GFP”。

具体而言，他们利用高分辨率成像技术揭示了他们构建的一种DNA分子的新颖和复杂的结构，该DNA分子模拟一种叫做绿色荧光蛋白（green fluorescent protein, GFP）的蛋白的活性。GFP源自水母，已成为一种重要的实验室工具，在细胞中发挥着荧光标签的作用。

这些发现推动了关于如何使DNA折叠成复杂形状的科学，并将帮助科学家们为一系列实验室和临床应用构建这类DNA分子。比如，模拟GFP的全DNA荧光标签通常是生物研究和诊断测试工具中标记目标DNA片段的理想选择，而且制作成本相对低廉。

论文共同作者、威尔康乃尔医学院药理学教授Samie Jaffrey博士说，“这些发现真地改变了我们对我们能用DNA做什么的理解。”

自然界中的DNA大多以双链、“扭曲的阶梯”或“螺旋”的形式存在，并以相对稳定的形式存储遗传信息。细胞中所有其他复杂的生物过程都是由其他类型的分子完成的，尤其是蛋白。

去年，Jaffrey博士及其同事们在ACS Chemical Biology期刊上发现这样的一种分子：一种单链DNA，其折叠方式使其能够模拟GFP的活性（ACS Chemical Biology, 2022, doi:10.1021/acschembio.1c00893）。这种DNA分子，Jaffrey博士因其荧光发射的颜色而称之为“lettuce”，它通过与另一种小有机分子结合，形成一种潜在的“荧光团”，并以一种激活其荧光能力的方式挤压它而起作用。他们展示了这种lettuce-荧光团组合作为快速检测SARS-CoV-2（导致COVID-19的冠状病毒）的荧光标签。

图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06229。

Jaffrey博士和他的团队通过制作许多单链DNA并筛选出具有所需荧光团激活能力的单链DNA而发现了lettuce。但是，他们不知道lettuce采用什么结构来获得这种能力。为了确定这种结构，他们在这项新的研究中求助于他们的长期合作者，美国国家心肺与血液研究所自身调查员Adrian R. Ferré-D'Amaré博士。

在这项新的研究中，这些作者使用了先进的结构成像技术，包括低温电镜，以解决lettuce的原子级分辨率结构。他们发现它折叠成一种形状，在它的中心有一个四向的DNA连接，以一种激活荧光团的方式包裹着该荧光团。他们还观察到lettuce的折叠是通过碱基之间的键连接在一起的。

Ferré-D'Amaré博士说，“我们发现的不是DNA试图像蛋白一样；这是一种DNA，它以自己独特的方式发挥着GFP的作用。”

这些作者表示，这些发现应能加快荧光DNA分子的开发，如用于快速诊断测试的lettuce，以及一系列其他科学应用。Jaffrey博士说，“像这样的研究对于构建新的基于DNA的工具将是至关重要的。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Luiz F. M. Passalacqua et al. Intricate 3D architecture of a DNA mimic of GFP. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06229.

2. DNA can fold into complex shapes to execute new functions
https://phys.org/news/2023-06-dna-complex-functions.html