DNA折纸技术助力RBD纳米排布对新冠感染和免疫激活影响的研究

自然界中不同物种存在丰富的多价受体-配体相互作用，在配体数量和拓扑分布展现出不同特征，以平衡侵染效率和能量消耗。以包膜病毒为例，其与宿主细胞通过多价相互作用实现病毒识别、侵染。然而，不同包膜病毒在刺突蛋白 (Spike) 分布上呈现显著差异，包括分布距离、特定几何图案、蛋白数量上的差异，从而导致不同的感染特征。SARS-CoV-2上的Spike分布远比流感病毒的稀疏，却引起更为严重且持续的全球疫情大流行。SARS-CoV-2 Spike受体结合域 (RBD) 通过识别宿主受体血管紧张素转换酶2 (ACE2)，建立病毒感染的第一步。因而，RBD不仅是中和试剂和候选疫苗的主要靶点，还是病毒-细胞相互作用研究的主要靶点。

尽管结构生物学家已经揭示了单个Spike/RBD-ACE2的晶体结构，然而由SARS-CoV-2 RBD的数量和分布模式引起的病毒附着和免疫刺激反应尚不清楚。此外，现有的新冠疫苗大多集中于免疫原性和免疫激活持续性的研究，很少有研究报道病毒抗原在特定分布模式下的差异驱动的免疫激活。因而，亟需发展一个具有空间精确抗原排布的类病毒颗粒，以探究具有不同个数和分布模式的抗原的病毒是如何实现高效的感染和免疫激活，进而提高对SARS-CoV-2-宿主细胞相互作用和疫苗设计的理解。

图1. 利用核酸适体导向的DNA足球框架（DSF）对SARS-CoV-2 RBD进行空间排列。（a）SARS-CoV-2 VLP在DSF上组装RBD (RBD−DSF)的示意图；（b）一系列具有不同纳米级RBD的SARS-CoV-2 VLP示意图；A表示均匀分布模式(DSF RBD-An, n = 10, 20, 30, 60，或90); E表示赤道分布模式(RBD-En, n = 10);P表示单极分布模式(RBD-Pn, n = 10或20); 2P表示双极分布模式(RBD-2Pn, n = 10)； SARS-CoV-2 VLP与（c）宿主细胞和（d）免疫细胞相互作用的示意图。 DSF和RBD分别由一个黑圆和一个绿点表示。

近日，厦门大学化学化工学院宋彦龄教授和上海交通大学医学院杨洋研究员合作，在新冠病毒感染机制研究领域取得新进展。他们通过DNA折纸技术构建了具有空间精确RBD排布的SARS-CoV-2病毒样颗粒 (SARS-CoV-2 VLP) 以模拟天然病毒。为了保留更多的RBD活性位点，采取前期课题组发展的靶向RBD非ACE2结合区域的核酸适体CoV2-4C（Anal. Chem., 2020, 92, 9895-9900），从而更准确地模拟病毒-宿主细胞的相互作用和免疫反应。首先，通过核酸适体CoV2-4C引导组装将SARS-CoV-2 RBD排布在直径约74 nm的DNA足球框架（结构设计详见ACS Nano, 2022, 16, 11004–11010）上进行系统的分析。研究发现，SARS-CoV-2 VLP和宿主细胞的结合亲和力和结合速率随着RBD个数的增加而增加；集中分布的RBD比均匀分布的RBD促进与宿主细胞更快更强的相互作用。此外，免疫激活程度并不是随着RBD个数增加而线性增加。每个SARS-CoV-2 VLP只需要20个均匀分布的RBD就能实现巨噬细胞高达86%的免疫激活。总之，这项工作为研究SARS-CoV-2感染和基于类病毒颗粒的免疫激活提供了一个新工具，将深化我们对病毒感染的认识，促进高效的抗病毒疫苗开发。

相关论文发表于《美国化学会志》（J. Am. Chem .Soc.）。厦门大学化学化工学院2021级博士生张佳露和上海交通大学医学院附属仁济医院检验科博士后徐芸芸为该论文的共同第一作者。厦门大学化学化工学院宋彦龄教授和上海交通大学医学院杨洋研究员为共同通讯作者。

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）：

Elucidating the effect of nanoscale receptor-binding domain organization on SARS-CoV-2 infection and immunity activation with DNA origami

Jialu Zhang^#, Yunyun Xu^#, Mingying Chen, Yihao Huang, Ting Song, Chaoyong Yang, Yang Yang*, Yanling Song*

J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c09229

通讯作者简介

杨洋，上海交通大学医学院附属仁济医院，分子医学研究院研究员，博士生导师，获第十四批国家高层次青年人才计划。2005年本科毕业于南开大学生命科学学院；2010年于中国科学院国家纳米科学中心获博士学位。2010-2012年在美国亚利桑那州立大学，生物设计研究所从事博士后研究；2013-2018年在美国耶鲁大学任Associate Research Scientist；2018年9月至今在上海交通大学医学院分子医学研究院任研究员。课题组致力于核酸纳米技术的应用研究。通过设计合成具有明确空间构型的框架核酸结构，指导纳米尺度生物大分子的精确超组装，构建新颖的分子相互作用研究平台，开发多功能可调控复合纳米装置，为分子影像、临床检验诊疗、核酸信息存储与计算等提供工具。

宋彦龄，厦门大学化学化工学院化学生物学系教授，博士生导师， 2020年获国家优秀青年基金。2010年和2016年于厦门大学分别获得学士和博士学位（导师杨朝勇教授），博士毕业后相继在福州大学和上海交通大学从事科研工作，2019年加入厦门大学化学化工学院。课题组致力于微流控亲和分离研究，通过仿生识别、DNA纳米技术、界面组装和流体调控等多方面的交叉研究，提升微流控亲和界面识别动力学和热力学性质，优化靶标传质速率，实现外周血中微量循环肿瘤细胞的高效捕获、外泌体溯源及其生物功能探究。自新冠疫情爆发以来，课题组致力于研发中和适体以阻断新冠病毒侵染，取得了系列研究进展（Anal. Chem. 2020, 92 (14), 9895-9900；Angew. Chem., Int. Ed. 2021, 60 (18), 10266-10272；J. Am. Chem. Soc. 2021, 143 (51), 21541–21548；2022, 144 (29), 13146-13153；ACS Nano 2022, 16 (9), 15310−15317）。此外，团队还开发了基于适体的新冠病毒-细胞机械力的测量工具（Cell Rep. Phys. Sci. 2022, 3 (9), 101048），助力新冠感染机制研究。