人类ACE2蛋白的α1螺旋结构类似于双链DNA（dsDNA），而SARS-CoV-2的Spike蛋白能够与DNA结合

《Biochemical and Biophysical Research Communications》：Helix α1 of human ACE2 mimics dsDNA and Spike of SARS-CoV-2 binds DNA

本研究发现ACE2的α1螺旋与DMP19结构高度相似，Spike蛋白的RBM与CREN7的DNA结合区对齐。设计的茎环DNA通过形状互补和化学匹配抑制ACE2-Spike相互作用，为开发DNA aptamer抗病毒疗法提供依据。

　　

Madhavi Latha Yadav Bangaru | Nidhanapati K. Raghavendra

印度海得拉巴印度理工学院生物技术系，Kandi，特伦甘纳邦，502284，印度

摘要

模拟DNA的蛋白质（DMPs）在限制-修饰系统、转录、染色质调控和DNA修复中发挥调节作用。DMPs模仿DNA主链的局部形状和电荷分布。相反，DNA适配体提供了蛋白质表面的化学基团的空间分布。在这两种情况下，形状互补性和化学基团分布的整合既取决于其构建块的序列，也取决于它们的局部形状，从而增加了它们的识别和设计的复杂性。在此背景下，我们报告了人血管紧张素转换酶2（ACE2）的α1螺旋（Ser19-Asn53）与Neisseria的DNA模拟螺旋DMP19在结构上是重叠的。此外，SARS-CoV-2刺突蛋白与ACE2相互作用的表面（Ala475-Pro507）在结构上与Sulfolobus的CREN7的双链DNA结合区域（Lys9-Arg33）对齐。证实了ACE2的α1螺旋与双链DNA在形状和化学上的相似性后，某些茎环DNA（SL）能够抑制基于ACE2-Spike相互作用的转导。将这些SL与刺突蛋白对接的结果表明，稳定的蛋白质-DNA复合物的形成是双链DNA的局部形状、相互作用氨基酸侧链的方向以及它们进行诱导契合的灵活性共同作用的结果。这里描述的结果强调，在设计基于适配体的抗病毒疗法时，应考虑蛋白质和DNA之间的空间-化学相似性，这是序列和局部形状共同作用的结果。

引言

蛋白质能够识别构成双链DNA（dsDNA）化学身份的化学和结构特征。dsDNA的化学身份由其序列和局部形状决定[1]。dsDNA的局部形状是相对于B型DNA平均三维形状的偏离[2]。局部形状基于其碱基对的位置，以及周围碱基对对碱基对的影响[3]。不同的氨基酸侧链对给定dsDNA的化学身份有不同的解读[4]。在相互作用过程中，化学身份的解读会导致dsDNA和蛋白质的相互构象变化[5]。dsDNA与相互作用蛋白质之间的构象兼容性程度决定了它们与相关蛋白质结合的亲和力[6]。

一种模拟DNA的蛋白质（DMP）通过模仿目标DNA结合蛋白（DbP）所识别的独特化学身份来实现特异性相互作用[7, 8, 9]。DMPs的标志是它们在主链上磷酸基团的空间排列相似性。可以通过化学身份的结构分析来识别DMPs，而不是通过搜索序列中的功能基序[10]。DbPs利用由不同二级结构元素（α-螺旋、β-折叠片、转角和环）组成的表面，通过静电和疏水相互作用来识别dsDNA[11]。螺旋形成最可预测的DNA结合表面，其次是折叠片，而由连接折叠片的环组成的表面则最不明显[12]。与DMPs相对的是DNA适配体，它们模仿与目标蛋白质特异性结合的蛋白质的相互作用表面。DNA适配体的单链DNA（ssDNA）折叠成独特的三维结构，从而与目标蛋白质具有高亲和力和特异性[13]。由于ssDNA的核苷酸序列与其三级结构之间没有直接关联，通常使用SELEX过程来生成针对特定蛋白质目标的DNA适配体[14, 15]。DMPs和DNA适配体相互作用表面上的化学和结构特征的组合及其影响程度的动态变化，使得它们的合理设计成为一项挑战[14, 15]。

在这里，我们展示了人血管紧张素转换酶2（ACE2）的α1螺旋（helix α1）与Neisseria的DNA模拟螺旋DMP19在结构上是重叠的[16]。ACE2的α1螺旋是SARS-CoV-2刺突蛋白的主要相互作用结构[17]。ACE2是SARS-CoV-2进入细胞的主要受体[18]。有趣的是，刺突蛋白的受体结合基序（RBM）中与ACE2相互作用的环在结构上与Sulfolobus的CREN7的双链DNA结合环对齐[19]。RBM的环是中和多种SARS-CoV-2变体的抗体的靶标[20]。病毒颗粒表面的大约30个刺突三聚体中的大多数单体处于开放构象，其RBM可以通过氢键、盐桥和疏水接触容易与ACE2相互作用[17, 21, 22, 23]。与刺突三聚体的整体行为一致[24]，一个单体上的RBD结合抗体会引起别构变化，导致三聚体中相邻单体的解离[25]。

与之前报道的核酸适配体不同[26, 27]，本研究设计了一种茎环DNA（SL），其茎的长度与ACE2与刺突相互作用的α1螺旋相匹配，并且其核苷酸组成适用于广泛的dsDNA局部形状，结果表明它可以抑制基于ACE2-Spike相互作用的转导。将这些SL与刺突蛋白对接的结果再次表明，SL的化学身份基于其序列和局部形状。对SL与SARS-CoV-2 Wuhan变体（Spike^W）和Delta变体（Spike^D）的刺突蛋白相互作用的计算分析显示，构象互补性和灵活性对于稳定复合物的形成至关重要。由于Spike^W和Spike^D的相互作用表面存在差异，SL与主链和碱基的相互作用数量也有所不同。

材料与方法

计算分析。除非另有说明，所有计算分析均使用Accelrys Software Inc.的Discovery Studio (DS) Client v4.0进行。DS的结构重叠基于序列比对。DS的分子叠加协议用于获取蛋白质片段的叠加相似性得分。https://aideepmed.com/US-align/提供的US-align（通用结构比对）用于获取TM-score，这是一种评估拓扑相似性的指标

结构相似性

hACE2-Spike^W复合物（PDB 6LZG）的晶体结构[29]显示，hACE2的α1螺旋（S19-T52）的凸表面与Spike^W的受体结合基序（RBM，残基438-506）的凹表面相互作用。hACE2的α1螺旋的九个残基（S19, Q24, D30, K31, H34, E35, D38, Y41和Q42）形成了酸性表面（理论pI 4.53），与Spike^W的RBM的十个残基（K417, Y449, Y453, L455, A475, Y489, Q493, Q498, T500和N501）形成了碱性表面（理论

结论

hACE2的α1螺旋（S19-T52）与DMP19的α9螺旋在结构上相似，后者模仿了dsDNA的主要沟槽。Spike蛋白的T478-N501片段与CREN7的dsDNA结合片段在结构上对齐。具有十个碱基对茎和五胸腺嘧啶环的茎环DNA与hACE2竞争与Spike蛋白的相互作用并抑制转导。计算分析表明，茎环DNA的局部形状根据其茎的核苷酸序列而变化，从而导致独特的结果

CRediT作者贡献声明

Raghavendra Nidhanapati Karanam：撰写——原始草稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法学，研究，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。 Madhavi Latha Yadav Bangaru：撰写——原始草稿，验证，方法学，研究，正式分析，数据管理，概念化

数据可用性

所有数据均提供在文章和补充材料中。如有进一步需求，请发送至 [e-mail]。

资助

本工作得到了印度新德里科技部生物技术部的支持，授予编号为BT/PR40935/COT/142/11/2020的资助，资助对象为Nidhanapati K Raghavendra。

利益冲突声明

无需要声明的利益冲突。

致谢

Madhavi Latha Yadav Bangaru获得了印度新德里科学与工业研究委员会的资深研究助理职位。以下试剂通过BEI Resources, NIAID, NIH获得：SARS相关冠状病毒2，武汉-Hu-1刺突D614G假型慢病毒试剂盒，NR-53817；表达跨膜蛋白酶、丝氨酸2和人血管紧张素转换酶2 [293T-ACE2.TMPRSS2 (mCherry)] 的人胚胎肾上皮细胞，NR-55293。pCDNA3.4载体