物質學院鐘超課題組和合作者在成核蛋白調控淀粉樣蛋白自組裝機制研究上取得突破

ON2019-04-03文章來源 物質科學與技術學院CATEGORY新聞

我校物質學院助理教授鐘超課題組和上海交通大學教授樊春海課題組在利用DNA納米折紙技術研究淀粉樣蛋白的自組裝行為及其機理方面取得重要進展。3月27日,該項成果以“Directing Curli Polymerization with DNA Origami Nucleators”為題在《Nature Communications》上在線發表。

在細胞構建絲狀結構和纖維網絡中,最后結構的形狀和功能一般是通過特定位置的成核蛋白成核來調控。如大腸桿菌生物被膜中的curli纖維,就是利用一種錨定在細菌表面的CsgB成核蛋白,通過誘導CsgA淀粉樣蛋白在細菌表面和細胞外聚合,形成具有重復的β折疊、結構縝密的纖維網絡結構。盡管已有諸多文獻描述生物被膜中CsgB作為成核蛋白在CsgA纖維生長過程中扮演十分關鍵的作用,但是由于寡聚體形成過程的隨機性以及快速性,當前的研究并不能直接觀測CsgB促進CsgA形成寡聚體、甚至纖維的過程。因此,成核蛋白如何在單分子水平上調控纖維的自組裝行為以及更深層次的機制仍然是一個謎。

本研究利用DNA納米折紙技術,設計并構建形狀穩定、結構對稱的三角形DNA折紙,并將成核中心修飾在該DNA折紙的頂端,得到了DNA折紙/成核中心復合物。通過將該復合物與CsgA單體共同孵育,從而使得CsgA單體在成核蛋白的誘導作用下,在DNA折紙的末端自組裝成一條蛋白纖維。利用原子力顯微鏡(AFM)和硫磺素(ThT)熒光檢測法,對比在有無成核蛋白的條件下納米纖維的自組裝動力學,研究結果表明,DNA折紙上的成核中心會引發并促進CsgA單體在成核位點優先形成蛋白纖維。值得一提的是,本研究利用高速原子力顯微鏡(HS-AFM)首次清晰地觀測到CsgA單體在成核中心的自組裝過程。

此外,科研人員還觀察到一個有趣的現象:原纖維可以分別以遠離(離開模式)或走向成核劑(到達模式)的方式加速生長。由此,研究人員提出成核蛋白可能在大腸桿菌生物被膜的形成過程可能起著兩種截然不同的作用:即作為成核位點或作為捕獲附近生長的納米纖維的捕獲位點促進纖維網絡的快速生長。DNA折紙作為一組分子標記,可以精確定位單個成核蛋白的位置,因此,甚至可以從集成測量中檢查和區分獨立的隨機成核事件。從本質上說,這項技術排除了分子自聚合可能造成的干擾,為研究蛋白質成核蛋白的初級分子成核事件提供了一種有用的、可推廣的方法。這一技術可以用于評估生物學中與疾病相關的淀粉樣蛋白或者其他功能性淀粉樣蛋白在分子尺度的成核和自組裝機制。

因為這種修飾了成核蛋白的DNA納米結構能原位定向地引發淀粉樣蛋白原纖維的自組裝,所以這一技術也為構建新型的DNA折紙/功能性淀粉樣蛋白的復合納米結構提供了一種新的方法。鑒于DNA折紙和淀粉樣蛋白材料在納米技術中有著廣泛的應用,同時這些復合結構結合了DNA折紙的可編程特性和功能淀粉樣蛋白的功能可調性,因此,這種通過成核蛋白誘導的復合結構將在生物納米技術領域有著潛在的應用前景。

該論文第一作者毛秀海是鐘超和樊春海教授聯合指導的博士后(現任職上海交通大學分子醫學研究院),物質學院的博士研究生李柯(第二作者)在研究過程中也做出了重要的貢獻;通訊作者是物質學院材料和物理生物研究部的鐘超教授和上海交通大學的樊春海教授。上海科技大學為第一完成單位。上科大物質學院分析測試平臺,上科大電鏡中心,國家蛋白質科學研究(上海)設施給予了大力支持。該研究得到了國家自然科學基金(聯合基金種子基金)、上海市教委“曙光”計劃、中國博士后科學基金、上海科技大學的啟動資金等基金的支持。

文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-09369-6

在修飾了成核蛋白CsgB的DNA折紙結構的引導下,大腸桿菌生物被膜淀粉樣蛋白CsgA能夠定點加速聚合;AFM高度圖顯示纖維從CsgB-DNA復合物頂點開始生長。白色箭頭表示在頂點形成的點狀寡聚物。標尺:100nm

利用高速原子力顯微鏡(HS-AFM)原位探測CsgB-DNA折紙復合結構引導CsgA聚合的過程:(a)無CsgB-DNA折紙(獨立模式);(b,c)有CsgB-DNA折紙(b,c)時CsgA纖維形成示意圖以及相應的AFM高度圖與形成CsgA纖維長度變換圖: (d-f)比較在獨立、出發和到達三種不同生長模式下,纖維每步生長所需的平均停滯時間和延伸速率。標尺:50nm