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引导DNA折纸的折叠路径

自然体积525，页面82 - 86 (2015）引用本文

主题

摘要

DNA折纸是一种强大的组装技术，通过用数百条短的“钉”链对单链DNA模板进行退火，将其折叠成目标结构1，2，3.，4．其指导设计原则是目标结构是最稳定的单一构型5．折叠跃迁是协同的4，6，7并且，就像蛋白质一样，由编码在聚合物序列中的信息控制8，9，10，11．典型的折纸主要折叠成所需的形状，但错误折叠的结构会在动力学上捕获系统并降低成品率2．尽管调整了装配条件2，12或者遵循经验设计规则12，13能不能提高良率，折叠好的折纸往往需要从错误折叠的结构中分离出来2，3.，14，15，16．如果充分理解组装路径和动力学，然后进行合理优化，原则上可以避免这一问题。为此，我们在这里提出了一个DNA折纸系统，该系统具有不同寻常的特性，能够形成一小组可区分且折叠良好的形状，这些形状表示在巨大的折叠景观中离散且近似简并的能量最小值，从而使我们能够探测组装过程。获得的良好折叠折纸结构的高产量证实了有效折叠路径的存在，而形状分布提供了通过折叠景观的单个轨迹的信息。我们发现，与蛋白质折叠类似，DNA折纸的组装是高度合作的;可逆键的形成对于从瞬态错误折叠中恢复很重要;远距离连接的早期形成可以非常有效地加强特定的褶皱。我们使用这些见解来指导系统的设计，以便将装配引向所需的结构。因此，将合理的设计过程扩展到包括装配路径应该能够实现更可重复的合成，特别是在针对更复杂的结构时。我们预计，如果DNA折纸技术要继续快速发展，这种扩展将是必不可少的1，2，3.，17，18，19并成为一种可靠的制造技术20.．

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图1:单体贴图。
图2:用二聚体模板折叠折纸瓷砖。
图3:良好折叠形状的分类。
图4:可以通过修改订书钉来引导折叠路径。

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下载参考

确认

我们感谢K.V. Gothelf, M. Dong, A.L.B. Kodal, S. Helmig和S. Zhang(丹麦奥胡斯iNano化学系和跨学科纳米科学中心)在AFM成像方面的帮助。本研究由工程和物理科学研究委员会资助EP/G037930/1和EP/P504287/1，人类前沿科学计划资助RGP0030/2013，微软研究博士奖学金(F.D.)， ERC高级资助verware (F.D.和M.K.)和英国皇家学会-沃尔夫森研究Merit奖(A.J.T.)支持。

作者信息

作者指出

  1. 凯瑟琳·邓恩和托马斯·欧德里奇

    现地址:†现地址:约克大学电子系，约克YO10 5DD，英国(K.E.D.);帝国理工学院数学系，伦敦SW7 2AZ，英国(T.E.O.)，

  2. 凯瑟琳·邓恩和弗里茨·丹嫩伯格:这两位作者对这项工作做出了同样的贡献。

作者及隶属关系

  1. 牛津大学物理系克拉伦登实验室，帕克斯路，牛津，OX1 3PU，英国

    凯瑟琳·e·邓恩，弗里茨·丹嫩伯格，安德鲁·j·特伯菲尔德和乔纳森·巴斯

  2. 牛津大学计算机科学系，牛津帕克斯路沃尔夫森大楼，OX1 3QD，英国

    Frits Dannenberg和Marta Kwiatkowska

  3. 牛津大学物理系，鲁道夫·佩尔斯理论物理中心，牛津Keble路1号，OX1 3NP，英国

    托马斯·e·奥尔德里奇

作者
  1. 凯瑟琳·e·邓恩
    查看作者出版物

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  2. 熔块丹嫩贝格
    查看作者出版物

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  3. 托马斯·e·奥尔德里奇
    查看作者出版物

    您也可以在PubMed谷歌学者

  4. 玛尔塔Kwiatkowska
    查看作者出版物

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  5. 安德鲁·j·特伯菲尔德
    查看作者出版物

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  6. 乔纳森浴
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贡献

K.E.D.进行了实验工作，F.D.和T.E.O.开发了折叠模型，J.B.和A.J.T.设计了实验策略。所有作者都对实验设计、数据解释和手稿准备做出了贡献。

相应的作者

对应到安德鲁·j·特伯菲尔德或乔纳森浴．

道德声明

相互竞争的利益

作者声明没有相互竞争的经济利益。

扩展的数据图形和表格

扩展数据图1良好折叠的平面态的集合。

一个，折叠良好的平面状态可以被认为是两个相邻的单体瓦，由一个相互的模板在任何标记为三角形和编号(中心)的位置交叉连接。这将给出一组6个独特的形状，如所示(外围)。b除了下面提到的例外，有四种方法来制作这些形状，由模板交叉处的核苷酸序列来区分，但不能通过AFM成像来分辨。在所示的示例中，在位置5和8所做的交叉对应于折叠4:1，在位置17和20所做的交叉对应于折叠1:4，如圆形图(左)所示。所有给出相同的形状与分数短边偏移w/W3/6(右)。例外的是，状态5:0i只有两种变体，因为位置1和24的链接块所形成的构型无法区分，位置12和13的链接也无法区分。c，这种情况下单体瓷砖之间连接的详细视图，其中长边偏移量没有精确定义(根据长边钉的构造，它的范围可以从0到2/7)。为了预测模型配置的几何形状，我们取的平均值为l/l= 1/7。由22个良好折叠的平面状态组成的集合，因此由如图所示的形状的两个折叠组成c另外五个形状各折四次。

扩展数据图2良好折叠，非平面状态和非法折叠。

一个，b中定义的22个平面褶皱组成了模型允许的合法褶皱集扩展数据图1另外还有52个非平面折叠，其中13个形状各有4个一个，b．形状的一个是通过允许两个瓷砖之间的三个相互交叉而形成的，那些在b由允许5个相互交叉形成。这些非平面褶皱在模拟中很少形成。c，一个错误折叠形状的例子:部分折叠的域，单独，是良好的，但不能连接到一个合法的折叠。

图3 AFM观察到的折纸瓦片形状拟合。

一个， AFM图像通过二阶多项式逐行减法进行平化。使用自定义的MATLAB程序进行图像处理和拟合。图像1.2 × 1.2µm。b，使用像素高度直方图来设置生成二值图像的阈值。通过计算背景和tile对应的两个峰值均值的平均值，找到阈值;如果因为图像有噪声而失败，则手动设置阈值。c，将二值图像中具有近似二聚体平铺面积的分离良好的物体标记为拟合(编号)。d，使用Sobel寻边滤波器生成Tile轮廓。e，代表性的拟合轮廓(两个相等的，偏移的平行四边形)用于分类二聚体瓷砖，如文本所述(比较图3 d)．

图4 AFM数据。

面板一个- - - - - -e显示1.5µm的视场，其中包含从五组订书钉中的每一组折叠的结构图4 a e．标记为拟合的形状用圆点标记，如果形状成功拟合则为绿色，否则为红色。拟合的轮廓叠加在图像上。f，未标记为适合或未能成功安装的结构的例子。AFM图像显示在建议结构的轮廓旁边。未成功拟合的形状集合包括形状接触的拥挤区域和两组分单体瓦变形的形状，可能是在云母表面沉积期间，但可以清楚地分配到预测的形状之一。还观察到部分折叠(或损坏)的形状，通常是一个折叠良好的单体连接到部分折叠的单体上;有时可以观察到展开模板的一部分。

强接缝连接影响折叠路径。

标记为1:1的结构是一个部分折叠的中间，其中有四对缝钉。如果缝钉保持在原位，这种中间结构可以发展为完全折叠结构，接缝配置为4:1或3:2(如右侧箭头所示)，但5:0的折叠是无法实现的，除非两对缝钉分离。上面板的圆形图显示了与下面结构对应的接缝连接。

扩展数据图6使用荧光监测折纸组装。

组装单体瓦片(图1)使用荧光标记的订书钉进行监测。在折叠瓷砖中标记股的位置显示在一个缝钉贴5 ' Cy3和3 '黑洞淬灭器2，身钉贴5 ' Cy5和3 '黑洞淬灭器2。在含有12.5 mM MgCl的缓冲液中，在50 nM处含有单体模板，在100 nM处进行钉钉反应2， 10mm Tris-HCl和0.5 mM EDTA pH 8.0在96°C下保持10分钟，在0.3°C min下从96°C冷却到25°C−1，在25°C保持10分钟，然后在0.3°C min加热到96°C−1．在冷却和加热循环期间，以0.3°C间隔记录Cy3和Cy5的荧光信号。短钉结合增加了荧光团和猝灭剂之间的分离，因此增加了荧光强度。b，荧光强度(F),c，它们的导数(dF/ dT)作为折纸退火和熔化过程中温度的函数。尖锐的转变，对应于窄范围的短纤维合并温度，是一致的合作折纸组装。在未改性瓦的情况下，缝钉在与本体钉相同的温度下并入瓦中。滞回量(标记*)与缝钉配合绑扎一致。当接缝的一半断裂时，观察到的缝钉装订滞后现象减少，缝钉在比本体钉更低的温度下合并。弱化接缝对主体钉的掺入影响不大。

扩展数据图7折叠过程中订书钉的重新排列

一个- - - - - -e中所示的每个订书钉集的组装期间，模型对重新配置事件数量的预测的热图图4 a e．当两个模板域之间的联系人被释放并被替代联系人替换时，就会发生“重新配置事件”。从地图中省略的域是那些如果重新配置将产生非法折叠的域。

图8折叠过程中模型中缝钉之间的演化相关性。

一个、原版订书钉套装(图4）;b，折缝型(图4 b)．在每种情况下，将展示1600个模拟的平均数据(“全部”)以及按最终折叠(5:0,4:1,3:2和错误折叠)排序的子集。每个子集的模拟计数显示在每个面板下面。导致良好折叠的非平面结构(NP)的模拟包括在“所有”中，但没有单独呈现:此类结构在年中出现了65次一个5倍于b．具有不同长度的内部连接的圆形图标表示跨接缝的链接(“接缝链接”)模板上跨越(即被分隔)28、56、84、112和140模板域的连接点(如的“圆圈”图所示)图3)．“缝链”表示由至少一个缝钉介导的跨缝连接(与原始缝钉组，一个，它也可能代表一对订书钉)。当系统冷却时，数据在7个不同的温度下显示。缝链之间的相关性由3个5 × 5块图形表示。每个像素表示由两个图标标识的一对接缝链接之间的相关性。图标的方向与“圆”图具有相同的意义:两个由180°旋转相关的图标代表模板的两个半部分中的一个内部链接;90°旋转代表一个内链和一个交联。只有相对方向是重要的，例如，完全折叠态米：n没有区别于n：米（扩展数据图1b)．每个像素表示具有指定跨度和相对方向的链接对的平均数量(范围0-8;颜色编码，键在右上角)。图中右侧的“B”表示身体订书钉的平均占用率(范围为0-2)。订书钉套装一个在62°C时，折叠基本完成:在此温度下，可以清楚地看到完全折叠结构的特征相关模式。例如，最长的(140域)链接没有交叉链接到模板的另一半，这是折叠5:0的特征。(带有交叉链接的140域链接只出现在错折和NP结构中。)一个带有28域交联的112域链接的特征是4:1，两个包含一个交联的56域链接的存在的特征是3:2。在折叠的非常早期阶段，这些和其他具有最终折叠特征的相关性已经在平均相关图中可见(当模拟按最终折叠排序时)。因此，折叠早期的缝钉模式可以预测最终的折叠(扩展数据图9)．缝破了的订书钉套装b时，完整的缝钉在折叠路径的后期被合并(缝钉的50%掺入温度为64.2℃)一个， 62.3°Cb)．50%主体短纤维掺入温度不变(63.9°C一个， 64.0°Cb)．在高温下，断缝订书钉的相同特征模式，即完整的接缝与不同的最终折叠相关联。然而，90%的折缝模拟结果都是5:0。在模型中，强烈的接缝接触对折叠路径的影响的额外证据是错误折叠的显著差异:全缝钉的错误折叠率为52%一个， 1%用于断缝订书钉b．不兼容缝钉的稳定合并一个防止形成良好的折叠结构。

图9褶皱早期阶段的缝-短纤维相关性可预测最终褶皱。

所示数据与原始订书钉组相对应(见扩展数据图8a而且图4)．进行了三次测试，平均温度为64.2℃，所有缝钉的一半都被纳入其中。这些测试旨在区分不同最终褶皱的缝钉特征的模式。对于满足每个测试的模拟，该表记录了最终折叠之间的分布。测试1:一个140域的接缝链接，没有交叉链接到模板的另一半(折叠5:0的特点)。测试2:112域链接和28域交叉链接(折叠4:1的特征)。测试3:两个56域链接，包括一个内部链接和一个模板之间的交叉链接(折叠3:2的特征)。突出显示的条目对应于每个测试旨在预测的折叠。表格的最后一行记录了所有1600个模拟的折叠之间的最终分布。

扩展数据图10短纤杂交率计算示例。

工作示例参见方法部分“示例率计算”。一个，半装订的缝钉(棕色)可以装订在模板上的两个位置之一(绿色)。沿着模板到订书钉的第二个结构域的每个两个可能的结合位点的距离，以核苷酸和碱基对测量，标记在模板上。在所示的例子中，较近的结合位点由448-nt ssDNA链连接，较远的结合位点由由2208 -nt单链和一个刚性16-bp双链段组成的复合链连接。在半结合短纤维上较近的区域的局部浓度估计比较远的区域高11倍，相应的杂交率更高。b先前的钉入改变了连接钉结合位点的环的物理性质，从而改变了钉入率。在缺少订书钉A的情况下，订书钉B的结合域之间的最短路径由一条864 nt ssDNA链组成。在短钉A存在的情况下，路径缩短:它通过由短钉A形成的链接，包括384 nt ssDNA, 3个刚性16 bp dsDNA片段和一个短钉交叉。先前插入的短钉A缩短了两个结合位点之间的连接，其效果是将短钉B的第二个结构域的杂化加速2.6倍。

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邓恩，K，丹南伯格，F，奥尔德里奇，T。et al。引导DNA折纸的折叠路径。自然525， 82-86(2015)。https://doi.org/10.1038/nature14860

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