CN108611348B - 一种树枝状dna组装体的制备方法及其用途 - Google Patents

一种树枝状dna组装体的制备方法及其用途 Download PDF

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    • C12N2310/00Structure or type of the nucleic acid
    • C12N2310/10Type of nucleic acid

Abstract

本发明提供了一种树枝状DNA组装体,该结构的树枝状DNA组装体只需将组成其结构的所有寡聚核酸链在缓冲液中经过一步混合退火制得。本发明还提供了一种该树枝状DNA组装体作为分子载体在成像、诊断和治疗中的用途。本发明的优点在于:通过对单链DNA混合物进行一步退火处理即可得到结构精确可控的树枝状DNA组装体。

Description

一种树枝状DNA组装体的制备方法及其用途
技术领域
本发明涉及一种树枝状DNA组装体的制备方法及其用途,属于生物医药技术领域。
背景技术
2004年Dan Luo研究课题组首次报道了树枝状DNA的组装结构和方法(NatureMaterials 2004,3,38),之后经过一些列的改进(Biomacromolecules 2015,16,1095;AcsNano 2014,8,6171;Angew.Chem.Int.Ed.2012,124,11433),形成了现有的树枝状DNA组装体(DNAdendrimer)的方法。已有的技术通过三条单链DNA(20mM每条链)在磷酸盐缓冲溶液中(50mM,pH 8.0,with NaCl 100mM)升温到95℃,再以1℃/min的降温速率,降温到4℃,从而自组装(图1A)成基本的结构单元Y0,Y1,Y2,Y3。之后,经过一步一步的组装方法(step-by-step),分别室温混合Y0和Y1(数量比1:3)1小时,得到第一代DNAdendrimer(G1);室温混合G1和Y2(数量比1:6)1小时,得到第二代DNAdendrimer(G2);室温混合G2和Y3(数量比1:12)1小时,得到第三代DNA dendrimer(G3),示意图和产物结构如图1B所示。该设计方法中Y0的末端三个多余单链DNA序列一致;Y1,Y2,Y3的末端三个多余单链DNA序列,其中一个为与Yn-1互补配对,另外两个序列一致且与Yn+1的同样位置互补配对;而Y型重复单元的双链部分,对于Y0,Y1,Y2,Y3可以全部一样,也可以是不同序列。
上述方法主要有两个不足之处:
1.需要先制备基本单元(Y结构),再分步组装成DNAdendrimer,过程繁琐,不适用于产业化制备;
2.制备出的最终产物是具有特定三维结构的刚性分子,因而不适用于需要柔性结构应用。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种树枝状DNA组装体的制备方法及其用途。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种树枝状DNA组装体的制备方法,其包括如下步骤:
将若干条单链DNA混合于缓冲液中,升温至90℃后,以不超过3.6℃/min的速率降温至4℃,得到所述树枝状DNA组装体。
作为优选方案,所述短链DNA在缓冲液中的浓度以树枝状DNA组装体在缓冲液中的浓度为1nM~100mM为标准设置。
短链DNA的序列可以完全不同,这样得到的产物是各向异性的;短链DNA的序列也可以部分相同,这样得到的产物结构对称。制备该类树枝状组装体所需要的最少短链DNA个数为每代4条DNA,在这种情况下,第n代结构与第n-1代相连区域的序列为统一的两种(一种5’到3’,一种3’到5’),与第n+1代相连的区域序列也是统一的两种一种5’到3’,一种3’到5’)。
作为优选方案,所述缓冲液中含有按如下浓度计的各组分:40mM Tris、20mM乙酸、1mM EDTA、12.5mM~50mM的MgCl2
作为优选方案,所述降温速率为2min/℃。
一种由前述制备方法得到的树枝状DNA组装体作为分子载体在成像、诊断和治疗中的用途。
作为优选方案,所述分子包括小分子药物、核苷酸、蛋白质、多肽、多聚糖、基因编辑所用的CRISPR相关蛋白和核苷酸复合体中的一种。
本发明的方法制得的树枝状DNA组装体结构细节如图1所示。一个典型的DNA组装体由中心结构(图2C)和重复的树枝状分枝(图2A)构成。中心结构决定重复分枝的数量,例如,一个2号中心结构(Core 2)和两个分枝1(Branch1),两个分枝2(Branch2)可以组装成一个完整的3代树枝状DNA组装体(D2-3)。命名法则Dn-G,D代表树枝状DNA(Dendrimer),n代表组成中心结构的短链DNA数量,G代表最终产物的代数。由于DNA具有方向性(5‘到3’,或3‘到5’),所以需要两种方向相反但结构完全相同的分支结构(Branch1和Branch2)。
本发明的树枝状DNA组装体的结构设计与之前的结构设计最大的不同在于,本发明的设计中基本的组成单元是两条DNA,一条相对短的,一条相对长的。短的DNA一端的序列与长DNA中间的序列完全互补配对,这样组成的重复单元Gn(图2B红色部分),一端有一条多余单链悬挂序列,与靠近中心的DNA(Gn-1)相连接,另一端有两个悬挂序列,与远离中心的DNA(Gn+1)相连接,以此方式成树枝状延伸。在此结构中,互补配对区域的碱基长度为≥10个碱基对;且此区域长度可调,从而可以调整产物尺度的大小。另外,如果需要制备更具柔性的树枝状DNA组装体,每条短链DNA互补配对区域都可以以一个腺嘌呤(adenine)隔开(图2B中黑色碱基)。因此,由于重复单元是两条单链DNA,产物最终结构分叉部分为产物提供柔性,额外的腺嘌呤间隔又进一步增加产物的柔性。也正是由于这种结构设计,此方法只需将单链DNA按一定比例混合,由90℃降温即可制得柔性树枝状DNA组装体。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
1、只需对短链DNA混合物一步淬火即可获得结构精确可控的树枝状DNA结构;
2、该方法所的产品较现有技术所的产品柔性更高。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为现有技术的树枝状DNA组装体的结构和制备方法;
图2为本发明所用树枝状DNA组装体的结构和制备方法;(A)树枝状DNA组装体分枝的结构示意图。(B)举例说明第一代DNA分枝与第二代分枝之间连接的结构细节。(C)举例说明可用来做DNA组装体中心结构的DNA结构。(D)一步法制得树枝状DNA组装体示意图。DNA链之间的短线表示碱基互补配对。箭头方向表示从5’到3’方向;
图3为本发明中实施例1制备的树枝状DNA组装体Branch1和Branch2的序列图谱;
图4为本发明中实施例1中的D2-3的序列图谱;
图5为本发明制备的树枝状DNA组装体的三维模拟和凝胶电泳表征图;(A)为其三维结构示意图,(B)树枝状DNA组装体凝胶电泳图,下方标注为产率;
图6为本发明制备的树枝状DNA组装体中的D2-3的原子力显微镜(AFM)图;(A)原子力显微镜总览图。(B)单独一个D2-3的原子力显微镜图。(C)单独一个D2-3的原子力显微镜三维图。(D)B图中虚线部分高度图;
图7为本发明制备的树枝状DNA组装体靶向运输模型小干扰RNA(smallinterfering RNA,siRNA)到宫颈癌肿瘤细胞(HeLa);(A)具有肿瘤靶向小干扰RNA输送功能的树枝状DNA复合体结构示意图,及其凝胶电泳图。(B)Alexa647荧光标记的复合体与HeLa细胞共培养16小时后的激光共聚焦显微镜图。细胞核用4',6-二脒基-2-苯基吲哚(4',6-diamidino-2-phenylindole,DAPI)标记,肌动蛋白用异硫氰酸荧光素标记的鬼比环肽(Phaloidin-FITC)标记。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供了一种树枝状DNA组装体的制备方法,具体包括如下步骤:
通过以下DNA序列按一定比例混合在TAE/Mg2+(40mM Tris,20mM乙酸,1mM EDTA,12.5mM MgCl2)缓冲液中,升温至90℃,以2min/℃的降温速率,降温至4℃,即可制得D1-3,D2-3,D3-3。图2为制备所得树枝状组装体的结构示意图。图3为该实例中所用两种树枝状分枝的序列图谱。图4以D2-3为例展示出该实例中树枝状DNA组装体的序列图谱以及结构组成。
其短链DNA序列为
Core 1-1 5’-ATCGTTAGGACTCTGACGGC-3’
Core 2-1 5’-ATCGTTAGGAACTGTATCGGCAGTATAATACTCTGACGGC-3’
Core 2-2 5’-ATCGTTAGGAAATTATACTGCCGATACAGACTCTGACGGC-3’
Core 3-1 5’-ATCGTTAGGAAGCTCACGCCAGATGGTGCGGACTCTGACGGC-3’
Core 3-2 5’-ATCGTTAGGAACCGCACCATC CTGCTACGGAACTCTGACGGC-3’
Core 3-3 5’-ATCGTTAGGAATCCGTAGCAG TGGCGTGAGCACTCTGACGGC-3’
G1-1 5’-ATGTAACTCCAACGGAAGTGCC-3’
G1-2 5’-AGGTCTTGCAATGGAGTTACAT GCCGTCAGAG-3’
G1-3 5’-TCCTAACGAT GTTATGTGGCGACGGAAGTGCC-3’
G1-4 5’-AGGTCTTGCAACGCCACATAAC-3’
G2-1 5’-AAGCAAGGTAAAAGTCTACCGA-3’
G2-2 5’-CGCTTAAGTCATTACCTTGCTT GGCACTTCCG-3’
G2-3 5’-TGCAAGACCTATTAGCGCCAAAAGTCTACCGA-3’
G2-4 5’-CGCTTAAGTC ATTGGCGCTAAT-3’
G3-1 5’-GCAGCTTTACGAGCCATGGTAG-3’
G3-2 5’-TGGCCATCGAACGTAAAGCTGC TCGGTAGACT-3’
G3-3 5’-GACTTAAGCGACTCGTGAGCAAGCCATGGTAG-3’
G3-4 5’-TGGCCATCGAATGCTCACGAGT-3’。
命名法则:Core N-n,Core代表中心结构,N为中心结构序号,n为该中心结构中第n条DNA。GN-n,G代表Generation,N为第N代树枝状结构,n为该代树枝状结构中的第n条DNA。
图5为该实例所制备出的树枝状DNA组装体的凝胶电泳图以及三位模拟的结构图。在该实例中,D2-3通过原子力显微镜直接表征出其形貌,大小和树枝状结构,结果如图6所示。
实施例2
按照实施例1制备D2-3的序列,结合以下具有肿瘤靶向功能的适配体(AptamerAS1411)和模型药物siRNA,AptamerAS14115’-GGTGGTGGTGGTTGTGGTGGTGGTGGATACCATGGC-3’siRNA
5’-CGATGGCCArArCrCrArCrCrArUrArUrGrArArArCrCrArGrCrUrUrCrCrUrGrArA-3’
5’-Alex647-rCrArG rGrArArGrCrU rGrGrU rUrUrC rArUrArUrGrG rUrGG T-3’
以Core2-1为200nM的浓度,将所需DNA混合在TAE/Mg2+(40mM Tris,20mM乙酸,1mMEDTA,12.5mM MgCl2)缓冲液中,升温至90℃,以2min/℃的降温速率,降温至4℃,即可制得具有肿瘤靶向药物输送功能的复合体。
表1制备不同树枝状DNA组装体所需短链DNA组合及其数量比。
Figure BDA0001632229530000061
为便于统计,在基因序列表中,将实施例1和实施例2中各DNA和RNA序列均以SEQID NO.X的形式命名,具体为:
Core 1-1 SEQ ID NO.1;Core 2-1 SEQ ID NO.2;
Core 2-2 SEQ ID NO.3;Core 3-1 SEQ ID NO.4;
Core 3-2 SEQ ID NO.5;Core 3-3 SEQ ID NO.6;
G1-1 SEQ ID NO.7;G1-2 SEQ ID NO.8;
G1-3 SEQ ID NO.9;G1-4 SEQ ID NO.10;
G2-1 SEQ ID NO.11;G2-2 SEQ ID NO.12;
G2-3 SEQ ID NO.13;G2-4 SEQ ID NO.14;
G3-1 SEQ ID NO.15;G3-2 SEQ ID NO.16;
G3-3 SEQ ID NO.17;G3-4 SEQ ID NO.18;
AptamerAS1411SEQ ID NO.19
SEQ ID NO.20:
5’-CGATGGCCArArCrCrArCrCrArUrArUrGrArArArCrCrArGrCrUrUrCrCrUrGrArA-3’SEQ ID NO.21:
5’-Alex647-rCrArG rGrArArGrCrU rGrGrU rUrUrC rArUrA rUrGrG rUrGG T-3’
实施例3
图7为应用实例之一,树枝状DNA组装体D2-3,负载了肿瘤靶向因子AS1411和模型药物siRNA。其成功的将Alexa647荧光标记的siRNA靶向输送到癌细胞中。该组装体的应用为基体和载体,尤其是药物运输的载体,其负载的物质包括小分子药物,纳米粒子,多肽,蛋白,siRNA/miRNA,基因编辑所用的结合体(CRISPR-蛋白和核苷酸复合体)。这些负载了具有治疗,靶向,成像和基因编辑功能的树枝状DNA组装体在生物医学和生物科技方面有广泛的应用前景。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。
序列表
<110> 上海交通大学医学院附属第九人民医院
<120> 一种树枝状DNA组装体的制备方法及其用途
<160> 21
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 20
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 1
atcgttagga ctctgacggc 20
<210> 2
<211> 40
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 2
atcgttagga actgtatcgg cagtataata ctctgacggc 40
<210> 3
<211> 40
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 3
atcgttagga aattatactg ccgatacaga ctctgacggc 40
<210> 4
<211> 42
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 4
atcgttagga agctcacgcc agatggtgcg gactctgacg gc 42
<210> 5
<211> 42
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 5
atcgttagga accgcaccat cctgctacgg aactctgacg gc 42
<210> 6
<211> 42
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 6
atcgttagga atccgtagca gtggcgtgag cactctgacg gc 42
<210> 7
<211> 22
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 7
atgtaactcc aacggaagtg cc 22
<210> 8
<211> 32
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 8
aggtcttgca atggagttac atgccgtcag ag 32
<210> 9
<211> 32
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 9
tcctaacgat gttatgtggc gacggaagtg cc 32
<210> 10
<211> 22
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 10
aggtcttgca acgccacata ac 22
<210> 11
<211> 22
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 11
aagcaaggta aaagtctacc ga 22
<210> 12
<211> 32
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 12
cgcttaagtc attaccttgc ttggcacttc cg 32
<210> 13
<211> 32
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 13
tgcaagacct attagcgcca aaagtctacc ga 32
<210> 14
<211> 22
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 14
cgcttaagtc attggcgcta at 22
<210> 15
<211> 22
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 15
gcagctttac gagccatggt ag 22
<210> 16
<211> 32
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 16
tggccatcga acgtaaagct gctcggtaga ct 32
<210> 17
<211> 32
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 17
gacttaagcg actcgtgagc aagccatggt ag 32
<210> 18
<211> 22
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 18
tggccatcga atgctcacga gt 22
<210> 19
<211> 36
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 19
ggtggtggtg gttgtggtgg tggtggatac catggc 36
<210> 20
<211> 62
<212> RNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 20
cgaggccara rcrcrarcrc rarurarurg rarararcrc rargrcruru rcrcrurgra 60
ra 62
<210> 21
<211> 47
<212> RNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 21
rcrargrgra rargrcrurg rgrurururc rarurarurg rgrurgg 47

Claims (4)

1.一种树枝状DNA组装体,其特征在于,基本的组成单元是两条DNA,一条相对短的,一条相对长的,短的DNA一端的序列与长的DNA中间的序列完全互补配对,构成基本单元Gn,Gn一端有一段单链悬挂序列,与靠近中心的DNA(Gn-1)相连接,另一端有两个悬挂序列,与远离中心的DNA(Gn+1)相连接,以此方式成树枝状延伸。
2.如权利要求1所述的一种树枝状DNA组装体,其特征在于,组装所需寡聚核苷酸包括核糖核酸(RNA)、脱氧核糖核酸(DNA)以及各种非天然的修饰核酸。
3.如权利要求1所述的树枝状DNA组装体,其特征在于,其任何位点通过共价或非共价连接或负载其他分子。
4.一种如权利要求1所述树枝状DNA组装体的制备方法,其特征在于,只需一步混合和退火即可制得,具体步骤为将寡聚核苷酸按照比例混合在缓冲液中,通过加热到60℃到95℃,保持相应时间后,缓慢降温到25℃及以下即得。
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