上交大&上海應用物理所 Nat. Commun.：利用DNA折紙技術表位捕獲瞬時的抗體構象

【背景介紹】

研究表明，抗體（Ab）-抗原（Ag）相互作用是哺乳動物免疫系統中重要的自然防御策略。因此，Ab-Ag結合過程的基本機制對于理解免疫學非常重要，但是在單分子水平上揭示動態Ab-Ag相互作用仍然很困難。在探究Ab-Ag相互作用的歷程中，X射線晶體學為通過實驗檢驗Ab-Ag相互作用提供了一種途徑。其中，低溫電子顯微鏡（cryo-EM）可作為以原子分辨率對單個Abs成像的工具，提供了確定復雜結構的空前能力。然而，由于缺乏低溫EM的時間分辨能力，有關構象靈活性和中間Ab-Ag復合物的重要信息可能會丟失。幸運的是，原子力顯微鏡（AFM）在生理條件下對生物分子進行成像，為探測Ab-Ag相互作用提供了另一種途徑。最近，高速（HS）AFM提供了最高的視頻速率時間分辨率，揭示了某些類型的IgGs動態過程，但是在HS模式下通常會犧牲空間分辨率。因此，利用AFM對瞬態功能性Ab-Ag復合物進行高分辨率成像難以實現。

【成果簡介】

基于此，上海交通大學的樊春海教授、中科院上海應用物理研究所的李賓研究員和胡鈞研究員（共同通訊作者）等人聯合報道了一種三角形的DNA折紙骨架，具有特定位置的錨定和空間組織的人工表位，可在室溫下捕獲免疫球蛋白Gs（IgGs）的瞬時構象。其中，DNA折紙表位（DOEs）允許表位瞬間的程序化空間分布，從而可以使用原子力顯微鏡（AFM）對功能復合物進行直接成像。在本文中，作者建立了IgG親和力對單分子水平上3-20 nm內表位橫向距離的關鍵依賴性。瞬時構象的高速AFM成像進一步為在單一事件中從單價到二價的IgG親和力提供了結構和動態證據，這為包括病毒中和、診斷檢測和癌癥免疫療法在內的各種應用提供了思路。研究成果以題為“Capturing transient antibody conformations with DNA origami epitopes”發布在國際著名期刊Nat. Commun.上。

【圖文解讀】

圖一、基于DOE的IgGs捕獲
（a）病毒顆粒表面上抗原決定簇峰的不均勻分布的示意圖；

（b）設計、模仿病毒的DOEs用于IgG捕獲和結合；

（c）利用PeakForce-AFM圖像進行基于DOEs的IgG捕獲；

（d）（c）中黃色虛線正方形的放大圖；

（e）Fc和結合IgG的兩個Fab結構域的高分辨率HS-AFM圖、IgG的原子結構、DOEs結合IgG中三個結構域的橫截面輪廓。

圖二、HS-AFM表征DOE限制的IgG構象靈活性和Fab-Fab距離
（a）由設計距離分別為5、8、10和16 nm的DOEs捕獲的單個IgGs不同構象的示意圖；

（b）兩個Fab結構域的重心之間的測得距離以及配對表位的設計距離的示意圖；

（c）設計的digoxin距離與IgGs中Fab的測得距離之間的關系。

圖三、IgG與DOEs結合的動力學
（a）HS-AFM圖像用于三個階段結合過程的時間演化，從漂移到單價結合，再分別是設計距離分別為3、10和16 nm DOEs的二價結合；

（b）三個階段綁定過程和相應的HS-AFM圖像的示意圖；

（c）單分子FRET軌跡和10 nm位點結合的hidden Markov模型擬合。

圖四、引起IgG親和力的工程DOEs
（a）IgG-DOE的單價到二價結合躍遷動力學的散點圖，以及IgG結合效率的直方圖隨DOEs上設計距離變化而變化；

（b）過程粒度的分子動力學計算；

（c）使用過程粒度分子動力學計算和DOE上二價結合IgG的相應HS-AFM圖像、典型的模擬游離IgGs構象。

【小結】

綜上所述，作者設計了DOEs，通過利用DNA折紙技術的空間可尋性來模擬表位在病毒顆粒上的距離分布。DOEs的定位能力和剛度使IgG能夠在室溫下凍住，以便在單分子水平對瞬時的功能性IgG結合構象進行高分辨率成像。通過對DOEs上抗原決定簇橫向距離的可編程控制，可以精確確定抗原決定簇與抗原決定簇之間的親和力。此外，該DOE平臺還支持HS-AFM和smFRET分析，以探測DOE上單個IgG結合的動力學。研究發現IgGs可以響應從短到長的表位距離，采取從高緊密度到遠距離伸展的靈活構象。重要的是，當兩個表位間隔約10 nm時，二價IgG的結合動力學和效率最高。總之，DOEs的可設計性和可編程性提供了一種直觀的方法來模仿病毒表位的分布。因此，DOEs不僅增加了在單分子水平上理解Ab-Ab相互作用的設計空間，而且為免疫工程提供了潛在的強大平臺。

文獻鏈接：Capturing transient antibody conformations with DNA origami epitopes.（Nat. Commun., 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-16949-4）

本文由CQR編譯。

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