Small Structures:冷冻电镜解析DNA纳米结构极其复合物

冷冻电子显微镜技术(Cryo-EM)利用数以万计的二维(2D)投影图像重构样品粒子的三维(3D)结构、揭示其原位形态,被广泛应用于生物学、材料科学和化学领域。在过去的几十年中,Cryo-EM在DNA纳米技术领域中引起了越来越多的关注。DNA纳米技术利用DNA链作为自组装单元来构建从几纳米到几百纳米的各种均一DNA纳米结构。自1980年代以来,经过数十年的发展,DNA纳米技术目前允许人们自定义创建复杂且可编程的结构。在早期,DNA纳米结构是否成功折叠只能通过凝胶电泳中不同的迁移率来判断。之后,原子力显微镜(AFM)和传统透射电子显微镜(TEM)成为两种最广泛采用的表征技术。但是,它们只能提供样本的表面或投影信息。而Cryo-EM可以提供样品在溶液中精准的三维信息,使得更好地理解和指导DNA纳米结构的设计成为可能。

上海交通大学樊春海课院士团队刘小果副教授系统综述了Cryo-EM在DNA纳米技术领域的应用和发展。该综述简要介绍了Cryo-EM基本原理,分享了Cryo-EM对各种经典DNA三维结构以及复杂DNA结构复合物的表征工作,讨论了Cryo-EM数据指导优化DNA纳米结构设计的方法,总结了DNA纳米结构的Cryo-EM解析从低分辨率到高分辨率、对称到不对称结构、单一到复合结构的历史演变过程。

图1. Cryo-EM解析的典型DNA三维结构及DNA-蛋白复合结构

作者们首先介绍了Cryo-EM表征DNA纳米结构的一般流程,着重讨论了数据处理原理及方法。接着,概述了2004年来DNA纳米结构解析伴随着Cryo-EM技术的共同发展历程。在这期间,Cryo-EM的作用经历了确证DNA纳米结构的形成,统计DNA纳米结构的多种构象分布,利用DNA纳米结构的对称性提高分辨率从而构建原子模型,解析非对称DNA纳米结构等阶段。之后,讨论了Cryo-EM解析DNA与蛋白质复合物的相关工作。最后,作者们分享了该领域面临的挑战和机遇,例如从框架DNA纳米结构复合物的Cryo-EM分析方面,展望了DNA纳米结构辅助解析小蛋白和膜蛋白等结构的未来发展方向。

论文信息:

Cryogenic electron microscopy for resolving DNA nanostructures and their complexes

Muchen Pan, Jiye Shi, Lihua Wang, Chunhai Fan, Xiaoguo Liu*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100053

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100053