最近，北京大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系陳匡時(shí)課題組基于RNA納米技術(shù)發(fā)展了一種可干擾HIV-1病毒在細(xì)胞膜上組裝的RNA納米材料。該研究成果已發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊Nucleic Acids Research (IF = 16.971)，題目為“Rational design of self-assembled RNA nanostructures for HIV-1 virus assembly blockade”。

HIV-1病毒的重要結(jié)構(gòu)蛋白Gag蛋白是一種RNA結(jié)合蛋白，可與病毒的基因組RNA（genome RNA, gRNA）發(fā)生相互作用，并以其作為支架，在細(xì)胞膜上進(jìn)行多聚化，最終組裝形成病毒顆粒。迄今為止，有大量研究結(jié)果證明，除病毒RNA之外，Gag蛋白也能與多種宿主細(xì)胞RNA形成RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體，其中，陳匡時(shí)課題組在早期研究中發(fā)現(xiàn)宿主細(xì)胞中的小RNA（microRNA）能夠與Gag蛋白發(fā)生相互作用，并可與細(xì)胞膜上的病毒RNA-Gag蛋白相互作用產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)而干擾病毒RNA介導(dǎo)的Gag蛋白多聚化，導(dǎo)致病毒顆粒組裝失敗【Proc Natl Acad Sci USA. 2014 Jul 1; 111(26): E2676–E2683；Protein Cell. 2018; 9(7): 640–651】，這提示小RNA具有治療HIV-1感染的潛力。

相比于天然小RNA，人工合成的RNA寡核苷酸具有在堿基構(gòu)成、分子大小、結(jié)構(gòu)和化學(xué)修飾等方面可調(diào)整性、可控制性高的優(yōu)勢(shì)，并且可以通過(guò)RNA納米技術(shù)組裝形成更加復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)，是一種可修飾性高、穩(wěn)定性好、生物安全性高的納米材料。本工作在前期天然小RNA研究的基礎(chǔ)上，以人工合成的2′-O-Methyl修飾的RNA寡核苷酸為原料，通過(guò)自組裝的技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種模塊化的RNA納米材料，能夠在細(xì)胞中高效抑制HIV-1病毒組裝。

在本研究中，課題組首先發(fā)現(xiàn)相較于無(wú)特定結(jié)構(gòu)的RNA寡合苷酸，Gag蛋白在細(xì)胞膜上對(duì)可形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)的寡核苷酸具有更高的結(jié)合傾向性，并且該結(jié)合傾向性是不依賴于特定堿基序列的（sequence-independent）。Gag與發(fā)夾結(jié)構(gòu)RNA的相互作用可以顯著抑制HIV-1病毒顆粒產(chǎn)生（圖1）。隨后，課題組將此概念引入設(shè)計(jì)可自組裝的RNA原件，將具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)RNA寡核苷酸作為基本組裝模塊，得到具有多個(gè)發(fā)夾結(jié)構(gòu)的RNA自組裝納米材料。相比于單個(gè)基本組裝模塊，該納米結(jié)構(gòu)對(duì)HIV-1病毒顆粒產(chǎn)生的抑制效果有顯著的提升（圖2）。最后，通過(guò)單分子熒光原位雜交（FISH）技術(shù)同時(shí)對(duì)病毒RNA和RNA納米材料進(jìn)行成像、單分子定位顯微技術(shù)對(duì)Gag蛋白在細(xì)胞膜上的組裝平臺(tái)進(jìn)行超分辨率成像并進(jìn)行蛋白聚落分析，課題組提出了納米材料在細(xì)胞膜上抑制HIV-1病毒組裝的模型（圖2）。本工作拓展了RNA自組裝納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，有望為HIV-1 病毒和其它復(fù)制過(guò)程依賴于RNA-蛋白互作的RNA病毒（如新冠病毒SARS-COV-2等）所引發(fā)的相關(guān)疾病提供新的治療思路。

圖1. 發(fā)夾結(jié)構(gòu)的RNA寡核苷酸（STL1）比無(wú)特定結(jié)構(gòu)的寡合苷酸（UN1）在細(xì)胞膜上與Gag蛋白有更強(qiáng)的互作，進(jìn)而有效抑制HIV-1病毒顆粒產(chǎn)生

圖2. 將多個(gè)帶有發(fā)夾結(jié)構(gòu)的寡合苷酸通過(guò)自組裝構(gòu)建得到對(duì)HIV-1組裝干擾性更強(qiáng)的納米結(jié)構(gòu)

陳匡時(shí)課題組已畢業(yè)博士生曲娜是本工作的第一作者，課題組博士生應(yīng)亞宸以及博士后秦金珊為工作的順利完成作出重要貢獻(xiàn)，陳匡時(shí)為本工作的通訊作者。本工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

來(lái)源：北京大學(xué)