基于多肽/DNA超分子组装构筑的人工病毒及其应用

Natural viruses can be taken as supramolecular assemblies formed by capsid proteins and nucleic acids via various non-covalent interactions. To construct the artificial viruses by mimicking the virus’ supramolecular assembly is an important strategy to probe into their functional mechanisms as well as to develop non-viral gene vectors, which is of great significance in both theoretical aspect and practical applications. The current project proposes the study of ‘Fabrication of Artificial Viruses from the Peptide/DNA Supramolecular Assembly and Their Applications’. We will firstly design peptides with varied molecular structures, controlling their self-assembling behaviors to form self-assembled structures that mimic well the capsid protein structural characteristics. Then the artificial viruses will be constructed from the peptide/DNA co-assembly. We will further our study to apply the artificial viruses in gene transfection and gene therapy. Simultaneously we will introduce fluorophores into the artificial viruses so as to realize the integrated function of gene therapy and self-tracing. The project will establish the guiding rules for peptide molecular design and obtain simple, efficient and versatile molecular systems that can interact with nucleic acids via supramolecular assembly to form artificial viruses with high structural regularity and stability. It will lead to a breakthrough in mimicking the virus’ structural characteristics by molecular self-assembly. The peptide/DNA supramolecular assemblies can not only mimic well the natural viruses from the aspects of composition, structure and function, but also have advantages of easy design, dynamic and controllable structures, high biocompatibility, and ready for functioning. Therefore, they are hopefully to realize smart and efficient gene therapeutic effect.

病毒是衣壳蛋白和核酸之间通过非共价相互作用形成的超分子组装结构，模拟其结构进行人工病毒的构筑是认识病毒作用机制和发展非病毒载体的重要途径，具有重要的理论意义和应用价值。本项目拟开展“基于多肽/DNA超分子组装构筑的人工病毒及其应用”研究，通过合理的分子设计调控多肽的自组装行为，形成模拟衣壳蛋白结构特征的组装基元，然后与DNA共组装构筑人工病毒，考察其在基因转染和治疗中的应用，同时将荧光基团引入人工病毒，实现基因治疗和自我示踪功能的集成。项目研究将建立多肽分子设计的指导性原则，获得简单高效且易于大量制备的肽分子体系，通过多肽/核酸的超分子组装获得结构高度规整的人工病毒，突破当前分子组装体系难以实现高仿真病毒结构模拟的瓶颈。此类人工病毒不仅在组成、结构和功能等各个方面都接近于天然病毒，而且有可设计性强、结构动态可控、生物相容性高、易于功能化等优点，有望实现智能、高效的基因治疗作用。

在国家自然科学基金面上项目“基于多肽/DNA超分子组装构筑的人工病毒及应用”资助下，开展了大量系统的研究工作。首先，设计合成了多个系列的肽分子，包括基于弹性蛋白单元（VPGVG）的短肽、酶刺激响应性短肽（Nap-FFGPLGLA(RK)n-NH2）、多功能多巯基肽（(CKn)mC、(CRn)mC）等，通过分子结构的设计来调控肽分子的物理化学性质和组装行为；接下来，系统研究了它们在水溶液及生理条件下的分子自组装行为，获得了多种不同的自组装结构，并筛选出能够模拟衣壳蛋白结构特征的自组装体（如(CK5)2C自组装球状结构）；进一步，将筛选得到的肽分子与DNA共组装，研究了它们的共组装结构及组装机制，以及对DNA的保护使其不被酶解，从结构上模拟了天然病毒的结构特征（如(CK5)2C/DNA共组装分级结构）；然后，将所构筑的人工病毒用于质粒的胞内递送和基因转染，获得多个高效基因递送和转染体系，实现了对天然病毒功能特征的模拟。.项目研究建立了多肽分子设计的指导性原则，获得了简单高效且易于大量制备的肽分子体系，通过多肽/核酸的超分子组装成功了多个人工病毒。这些人工病毒不仅在组成、结构和功能等各个方面都接近于天然病毒，而且有可设计性强、结构动态可控、生物相容性高、易于功能化等优点，有望实现智能、高效的基因治疗作用。该项目研究所开发的非病毒载体构筑方法具有重要的理论意义和应用价值。同时，在项目研究过程中，研究者进一步认识到蛋白和核酸之间非共价相互作用的重要性及核糖核蛋白递送在CRISPR基因编辑中的重要作用，通过超分子组装拓展出CRISPR-Cas9递送系统，向基因递送体系的实际应用转化迈出重要一步。.截至目前，在该项目资助下，已发表标注SCI论文20篇，中文核心教学论文1篇；申请发明专利7项，已授权4项，其中1项实现科技成果转化；培养硕士研究生8人，其中已毕业6人，在读2人。