变构调节是自然界经漫长时间进化出来的一种在生命活动中非常普遍、高效的调节方式 。 对于许多在生命活动中具有重要作用的酶来说 ， 其作用于底物的活性会受到其他配体的调节 。 一般来讲 ， 这些配体通过结合到酶的某个位点（变构位点 ， 不同于正构位点 。 ）从而使酶的构象发生变化以调节酶与其底物的结合 ， 增强或抑制酶的活性 。 正因其调节的可控性 ， 变构调节已经被应用于核酸纳米设计中以实现底物的装配、释放以及动力学控制等目的 。 然而迄今为止 ， 从调控机理而言 ， 这些人工设计的核酸变构元件的复杂程度要远逊于天然进化出的变构酶 。 究其原因 ， 一是配体种类有限（特定的蛋白或小分子） ， 二是完成方式单一（DNA双螺旋的打开或关闭） 。
近日 ， 清华大学生命学院魏迪明课题组发文报道基于三螺旋的DNA变构装置的开发 。 在本研究中 ， 作者设计了以三螺旋作为变构位点的Z-switch结构 ， 三螺旋是在普通的Watson-Crick双螺旋的基础上 ， 第三条链以Hoogsteen碱基配对的方式形成三股螺旋 。 第三条链（TFO）作为配体参与变构调节 。 TFO与变构位点的结合可以调节Z-switch结构的活性位点进而影响其自组装活性 。 作者通过研究多组不同初始状态的Z-switch结构变构调节前后的构象变化 ， 进行系统的筛选和比对 ， 得到理想的变构模型 。 该结果与理论预期高度吻合 ， 同时该结果在不同Z-switch结构中的成功应用也确定了其鲁棒性和可推广性 。
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图1.基于三螺旋设计DNA变构元件——Z-switch 。 TFO链作为变构调节配体 ， 可改变Z-switch的构象 ， 调控活性位点a*和b* ， 从而调控Z-switch的自组装活性 。 这一模型经验证不依赖于特定种类的Z-switch ， 可进一步推广到其它种类的Z-switch 。
接下来 ， 作者应用该变构调节策略模仿一些天然蛋白 ， 成功地实现了多种变构调节配体的共调节模式 ， 并且实现了对不同反映途径的选择性控制 。 此外 ， 由于作者选用TFO作为变构调节配体 ， 利用其相对其他配体（蛋白或小分子）而言优良的可编码性 ， 得以实现更为灵活的调节方式 ， 包括经典布尔逻辑门等的逻辑运算基础元件以及较为复杂的运算网络 。
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图2.基于三螺旋的Z-switch变构元件在逻辑运算中的应用 。 基于TFO的序列丰度 ， 多种TFO链可作用于同一Z-switch变构元件或同一系统 ， 以实现相应功能(逻辑门运算或较为复杂的函数运算) 。
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