跨学科交叉应用中的分子克隆桥段

限制性内切酶是能够识别特异的DNA序列，并将双链DNA切割的一类酶，最早被发现于大肠杆菌体内，为细菌对抗病毒提供了一种防御机制。在分子克隆领域，内切酶长期被用于在体外组装DNA双链片段。而多片段DNA组装的可行性往往依赖于限制酶的识别、切割位点，例如目前应用广泛的Golden Gate assembly, 就利用了IIS型内切酶的特点，可以在距离限制酶识别位点一定距离处切割DNA，从而产生可编码的粘性末端。在分子克隆中，利用内切酶产生能够互补的粘性末端对于DNA片段组装是必要的，因为互补粘性末端在DNA纳米结构的自组装中也是不可或缺的，所以分子克隆的技巧在这方面的交叉应用是有广泛意义的。

基于这个思路，本研究探索了一种可控的DNA纳米结构自组装系统。与Golden Gate assembly中多片段DNA组装相似，IIS型限制酶为DNA纳米结构的连接创造特异的粘性末端，同时T4 DNA连接酶巩固粘性末端的连接，从而实现DNA纳米结构单元不同层级的自组装（图1）。

图1. Golden Gate assembly用于DNA片段（左）和DNA纳米结构（右）组装

利用IIS型限制酶和T4 DNA连接酶的特点，本研究实现了DNA纳米结构的自环化、同源多聚体以及包括二聚体、三聚体、四聚体和五聚体在内的多种异源多聚体的组装（图2）。

图2. Golden Gate assembly用于DNA纳米结构异源多聚体组装。(a)三聚体L形，(b) 四聚体T形，(c)五聚体U形。

该研究成果由清华大学生命科学学院魏迪明分子设计课题组（MADlab）完成，论文题目为“DNA纳米结构的金门桥组装”(Golden Gate Assembly of DNA Nanostructures)，于2023年11月14日在线发表于《美国化学学会材料快报》(ACS Materials Letters)。

清华大学生命科学学院本科毕业生张文远（现为清华大学医学院2022级博士研究生）和生命学院2018级博士生午红蕊为本文共同第一作者，魏迪明副教授为本文的通讯作者。该研究源于本科生课程《核酸纳米结构的分子设计》中的其中一个课程项目（张文远为该课程项目小组长）。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、清华大学春风基金等基金资助。