CCS Chem.：与新冠病毒S蛋白拓扑结构相匹配的四面体DNA纳米皇冠用于病毒的高效抑制

由严重急性呼吸综合征冠状病毒-2（SARS-CoV-2）引起的COVID-19大流行已经对人类的生命健康和社会的经济发展造成了巨大威胁。迫切需要开发有效的病毒防治策略以应对这空前的灾难。病毒表面广泛存在的S蛋白是重要的治疗靶点之一，其中受体结合域（RBD）作为与宿主细胞表面ACE2直接作用的结构域，是许多抗体药物和疫苗研发的关键抗原表位。然而病毒的快速进化导致已有的靶向该结构域的抗体药物保护效力下降。亟需开发S蛋白其他关键抗原表位的靶向阻断制剂。此外，病毒的持续变异提示我们需要开发一种可快速针对各种新型变异株的通用型病毒中和平台。

最近，南京大学化学化工学院刘震教授联合军事医学科学院微生物与流行病学研究所秦成峰教授与江苏省农科院兽医所李彬研究员发展了一种与新冠病毒S蛋白拓扑结构相匹配的四面体DNA纳米皇冠。获得的多价纳米皇冠展现出了对野生株和多个重要变异株的高效抑制作用，为未来新出现的变异株以及其他致命病毒株提供了一种新颖的治疗手段，因此具有广阔的应用前景。

图1. 与新冠病毒S蛋白拓扑结构相匹配的四面体DNA纳米皇冠用于病毒抑制的示意图

（一）筛选得到靶向S蛋白N端结构域超位点（NTD supersite）的核酸适配体

S蛋白N端结构域（NTD）是除RBD之外另一重要的抗原表位，靶向该结构域的抗体通过影响S蛋白的“融合前到融合后构象转变”来抑制膜融合过程，从而阻断病毒的侵染。这些有效的中和抗体大都靶向NTD的一个公共区域：NTD supersite。许多联合RBD和NTD中和抗体的治疗方法可以有效地应对新出现的病毒变异株。因此，开发靶向NTD结构域的制剂具有重要意义。目前已有的靶向NTD结构域的制剂受限于抗体药物，而核酸适配体作为一种新型的类抗体制剂，相比于抗体，具有筛选周期短、成本低、免疫原性低、易于修饰等优点，可以作为抗体的有利替代品。它是一类以高亲和力和特异性与靶标相结合的单链DNA/RNA寡核苷酸序列，通常通过指数富集的配基系统进化技术（SELEX）筛选得到。该工作首先通过磁性纳米粒子的筛选平台，利用SELEX技术筛选并结合后续的亲和力、选择性表征以及分子对接和分子动力学模拟得到了靶向NTD supersite的核酸适配体。

图2. 核酸适配体筛选及其亲和力与选择性表征

图3. 分子对接与分子动力学模拟分析SARS-CoV-2 S蛋白与适配体Apt1C的相互作用

（二）构建与S蛋白三聚体拓扑结构相匹配的DNA纳米皇冠

通过分析S蛋白三聚体的三维蛋白结构与NTD结构域的空间分布，开发了与之拓扑结构相匹配的核酸框架。将筛选所得适配体偶联在合适的框架上形成了多价DNA纳米皇冠。得到的多价纳米皇冠显著提高了结合亲和力，并在细胞和蛋白层面展现出优异的阻断作用。

图4. DNA纳米皇冠的的合成及其在蛋白和细胞层面的阻断效果验证

（三）假病毒与真病毒中和阵列考察DNA纳米皇冠的病毒抑制作用

基于特征蛋白结构而设计的DNA纳米皇冠可以将S蛋白锁定在最稳定的关闭构象并阻断与受体ACE2的相互作用，从根本上抑制病毒的侵染。最后，作者利用假病毒和真病毒中和阵列考察了DNA纳米皇冠对病毒的抑制能力，展现出了对野生株和多个重要变异株的高效抑制。假病毒层面的Luciferase和GFP表达以及真病毒层面的细胞病变效应均证明了该制剂具有优异的病毒抑制潜力。该适配体筛选方法与DNA纳米皇冠的构建可以快速拓展到未来新出现的变异株以及其他致命性病毒株，可以作为一种通用型抗病毒平台，因此具有广阔的应用前景。

图5. 假病毒和真病毒中和阵列考察DNA纳米皇冠对病毒的抑制作用

相关成果以Research article的形式发表于中国化学会的旗舰刊物CCS Chemistry 上。南京大学2019级直博士生陈静然为论文的第一作者，南京大学副研究员许舒欣博士、军事医学科学院叶青博士和迟航博士为共同第一作者。刘震教授为该论文的通讯作者，军事医学科学院微生物与流行病学研究所秦成峰教授与江苏省农科院兽医所李彬研究员等为共同作者，为该工作提供了重要技术支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A topology-matching spike protein-capping tetrahedral DNA nanocrown for SARS-CoV-2 neutralization

Jingran Chen, Shuxin Xu, Qing Ye, Hang Chi, Ying Li, Mei Wu, Baochao Fan, Zhanchen Guo, Cheng-Feng Qin, Bin Li, Zhen Liu*

CCS Chem., 2022, DOI: 10.31635/ccschem.022.202201945

导师介绍

刘震

https://www.x-mol.com/university/faculty/67633 

http://hysz.nju.edu.cn/liuzhen/