Abstract Multivalent antigen display is a well-established principle to enhance humoral immunity. Protein-based virus-like particles (VLPs) are commonly used to spatially organize antigens. However, protein-based VLPs are limited in their ability to control valency on fixed scaffold geometries and are thymus-dependent antigens that elicit neutralizing B cell memory themselves, which can distract immune responses. Here, we investigated DNA origami as an alternative material for multivalent antigen display in vivo, applied to the receptor binding domain (RBD) of SARS-CoV-2 that is the primary antigenic target of neutralizing antibody responses. Icosahedral DNA-VLPs elicited neutralizing antibodies to SARS-CoV-2 in a valency-dependent manner following sequential immunization in mice, quantified by pseudo-and live-virus neutralization assays. Further, induction of B cell memory against the RBD required T cell help, but the immune sera did not contain boosted, class-switched antibodies against the DNA scaffold. This contrasted with protein-based VLP display of the RBD that elicited B cell memory against both the target antigen and the scaffold. Thus, DNA-based VLPs enhance target antigen immunogenicity without generating off-target, scaffold-directed immune memory, thereby offering a potentially important alternative material for particulate vaccine design.

Abstract Virus-like DNA nanoparticles have emerged as promising vaccine and gene delivery platforms due to their programmable nature that offers independent control over size, shape, and functionalization. However, as biodegradable materials, their utility for specific therapeutic indications depends on their structural integrity during biodistribution to efficiently target cells, tissues, or organs. Here, we explore reversible minor groove binders to control the degradation half-lives of wireframe DNA origami. Bare, two-helix DNA nanoparticles were found to be stable under typical cell culture conditions in presence of bovine serum, yet they remain susceptible to endonucleases, specifically DNAse I. Moreover, they degrade rapidly in mouse serum, suggesting species-specific degradation. Blocking minor groove accessibility with diamidines resulted in substantial protection against endonucleases, specifically DNAse-I. This strategy was found to be compatible with both varying wireframe DNA origami architectures and functionalization with protein antigens. Our stabilization strategy offers distinct physicochemical properties compared with established cationic polymer-based methods, with synergistic therapeutic potential for minor groove binder delivery for infectious diseases and cancer.

Abstract Wireframe DNA origami can be used to fabricate virus-like particles for a range of biomedical applications, including the delivery of nucleic acid therapeutics. However, the acute toxicity and biodistribution of these wireframe nucleic acid nanoparticles (NANPs) have not previously been characterized in animal models. In the present study, we observed no indications of toxicity in BALB/c mice following therapeutically relevant dosage of unmodified DNA-based NANPs via intravenous administration, based on liver and kidney histology, liver biochemistry, and body weight. Further, the immunotoxicity of these NANPs was minimal, as indicated by blood cell counts and type-I interferon and pro-inflammatory cytokines. In an SJL/J model of autoimmunity, we observed no indications of NANP-mediated DNA-specific antibody response or immune-mediated kidney pathology following the intraperitoneal administration of NANPs. Finally, biodistribution studies revealed that these NANPs accumulate in the liver within one hour, concomitant with substantial renal clearance. Our observations support the continued development of wireframe DNA-based NANPs as next-generation nucleic acid therapeutic delivery platforms.

Abstract Neuronal synapses contain hundreds of different protein species important for regulating signal transmission. Characterizing differential expression profiles of proteins within synapses in distinct regions of the brain has revealed a high degree of synaptic diversity defined by unique molecular organization. Multiplexed imaging of in vitro neuronal culture models at single synapse resolution offers new opportunities for exploring synaptic reorganization in response to chemical and genetic perturbations. Here, we combine 12-color multiplexed fluorescence imaging with quantitative image analysis and machine learning to identify novel synaptic subtypes within excitatory and inhibitory synapses based on the expression profiles of major synaptic components. We characterize differences in the correlated expression of proteins within these subtypes and we examine how the distribution of these synapses is modified following induction of synaptic plasticity. Under chronic suppression of neuronal activity, phenotypic characterization revealed coordinated increases in both excitatory and inhibitory protein levels without changes in the distribution of synaptic subtypes, suggesting concerted events targeting glutamatergic and GABAergic synapses. Our results offer molecular insight into the mechanisms of synaptic plasticity.

Langerhans cells are a subset of dendritic cells residing in the epidermis of the human skin. As such, they are key mediators of immune regulation and have emerged as prime targets for novel transcutaneous cancer vaccines. Importantly, the induction of protective T cell immunity by these vaccines requires the efficient and specific delivery of both tumor-associated antigens and adjuvants. Langerhans cells uniquely express Langerin (CD207), an endocytic C-type lectin receptor. Here, we report the discovery of a specific, glycomimetic Langerin ligand employing a heparin-inspired design strategy that integrated NMR spectroscopy and molecular docking. The conjugation of these glycomimetics to liposomes enabled the specific and efficient targeting of Langerhans cells in the human skin. This delivery platform provides superior versatility and scalability over antibody-based approaches and thus addresses current limitations of dendritic cell-based immunotherapies.

Scalable production of gene-length single-stranded DNA (ssDNA) with sequence control has applications in homology directed repair templating, gene synthesis and sequencing, scaffolded DNA origami, and archival DNA memory storage. Biological production of circular single-stranded DNA (cssDNA) using bacteriophage M13 addresses these needs at low cost. A primary goal toward this end is to minimize the essential protein coding regions of the produced, exported sequence while maintaining its infectivity and production purity, with engineered regions of sequence control. Synthetic miniphage constitutes an ideal platform for bacterial production of isogenic cssDNA, using inserts of custom sequence and size to attain this goal, offering an inexpensive resource at milligram and higher synthesis scales. Here, we show that the Escherichia coli (E. coli) helper strain M13cp combined with a miniphage genome carrying only an f1 origin and a β-lactamase-encoding (bla) antibiotic resistance gene enables the production of pure cssDNA with a minimum sequence genomic length of 1,676 nt directly from bacteria, without the need for additional purification from contaminating dsDNA, genomic DNA, or fragmented DNAs. Low-cost scalability of isogenic, custom-length cssDNA is also demonstrated for a sequence of 2,520 nt using a commercial bioreactor. We apply this system to generate cssDNA for the programmed self-assembly of wireframe DNA origami objects with exonuclease-resistant, custom-designed circular scaffolds that are purified with low endotoxin levels (<5 E.U./ml) for therapeutic applications. We also encode digital information that is stored on the genome with application to write-once, read-many archival data storage.

The bromodomain adjacent to zinc finger domain protein 2A (BAZ2A) is implicated in aggressive prostate cancer. The BAZ2A bromodomain is a challenging target because of the shallow pocket of its natural ligand, the acetylated side chain of lysine. Here, we report the successful screening of a library of nearly 1500 small molecules by high-throughput docking and force field-based binding-energy evaluation. For seven of the 20 molecules selected in silico, evidence of binding to the BAZ2A bromodomain is provided by ligand-observed NMR spectroscopy. Two of these compounds show a favorable ligand efficiency of 0.42 kcal/mol per non-hydrogen atom in a competition-binding assay. The crystal structures of the BAZ2A bromodomain in complex with four fragment hits validate the predicted binding modes. The binding modes of compounds 1 and 3 are compatible with ligand growing for optimization of affinity for BAZ2A and selectivity against the close homologue BAZ2B.

ABSTRACT The complex functions of neuronal synapses in the central nervous system depend on their tightly interacting, compartmentalized molecular network of hundreds of proteins spanning the pre- and post-synaptic sites. This biochemical system is implicated in the pathogenesis of autism spectrum disorders and schizophrenia, with identified common synaptopathologies and numerous risk genes associated with synaptic function. However, it remains unclear how the synaptic molecular network is altered in these disorders, and whether effects are common to distinct genetic perturbations. Here, we applied PRISM, a quantitative single-synapse multiplexed imaging technique, to systematically probe the effects of RNAi knockdown of 16 autism- and schizophrenia-associated genes on the simultaneous distribution of 10 synaptic proteins. This enabled the identification of novel phenotypes in synapse compositions and distributions. We applied Bayesian network inference to construct and validate a predictive model of causal hierarchical dependencies among eight proteins of the excitatory synapse. The resulting conditional dependence relationships could only be accessed via measurement which is both single-synapse and multiprotein, unique to PRISM. Finally, we show that central features of the network are similarly affected across distinct gene knockdowns. These results offer insight into the convergent molecular etiology of these debilitating, hereditary and highly polygenic disorders, as well as offering a novel, general framework for probing subcellular molecular networks.