譚蔚泓&邱麗萍JACS：首次報道！DNA-基膜蛋白動態模擬，用于編程自適應的細胞相互作用

【背景介紹】

在多細胞生物中，細胞響應其微環境的變化而相互交流，由此構成了生命的基本生物化學。研究表明，這些細胞間的相互作用主要是通過膜蛋白的動態和特異性調節來協調。膜蛋白模擬結構的發展，使細胞對環境變化反應信號的識別和隨后的表達調節能夠考慮細胞間的相互作用，為智能生物操作、自下而上的合成生物學以及研究細胞信號網絡提供新的機會。眾所周知，DNA具有可編程性強、生物相容性好、結構可預測等優點，是開發用于生物模擬和操作的智能結構的最有前途的材料之一。近年來，DNA納米技術的快速發展使得許多動態DNA納米結構的構建成為可能，特別是研究人員熱衷于利用DNA納米結構模擬膜蛋白。同時，活細胞膜的復雜性和動態性給細胞表面工程帶來了巨大的挑戰。然而，由于許多關鍵膜組成的缺陷，這些模型在描述活細胞系統時存在不可避免的局限性。雖然來源細胞的囊泡保留了部分天然膜脂、蛋白質和糖類，但是仍缺乏自適應能力，無法與細胞生理過程聯系起來。

【成果簡介】

近日，湖南大學譚蔚泓院士和邱麗萍教授（共同通訊作者）等人首次報道了一種直接在細胞表面上設計DNA納米結構，以研究其與細胞活性協同作用的動態行為。作者首先構建了細胞膜錨定的DNA納米結構，其能夠感知細胞對環境刺激的適應性反應，然后通過構象轉換來操縱細胞間的反應。作者所在團隊成功合成了具有三個疏水頂點的DNA四面體（T-cho3），并且證明了其在細胞表面工程中的優異性能。以T-cho3為支架，可以將動態DNA納米結構有效、穩定地固定在細胞膜上。當暴露于外部刺激時，細胞會啟動一系列的細胞內程序，以產生調節反饋，例如通過分泌特定的信號分子。這些分泌的信號分子可通過鏈置換反應來激活該細胞膜錨定DNA納米結構，使得功能核酸通過雜交鏈式反應（HCR）在細胞表面串聯自組裝。通過這種方式，多個功能模塊可以結合在一起，來調解細胞和外部環境之間的相互作用。研究成果以題為“DNA-Based Dynamic Mimicry of Membrane Proteins for Programming Adaptive Cellular Interactions”發布在國際著名期刊 J. Am. Chem. Soc.上。

【圖文解讀】

圖一、細胞膜錨定的DNA納米支架的制備與表征
（A）T-cho3的形成和細胞膜修飾的示意圖；

（B）通過PAGE表征T-cho3的形成；

（C）通過CLSM評估不同DNA納米支架的細胞膜錨定能力；

（D）C中相應樣品的相對熒光強度；

（E）通過CLSM評估不同DNA納米支架的內在化速率；

（F）相對應的E樣本的相對細胞內化率。

圖二、DNA納米結構的ATP-響應組裝
（A）通過PAGE驗證H1和H2在四面體結構上的串聯組裝；

（B）在室溫下，與1 μM H1和1 μM H2-FAM孵育不同時間的T-cho3-DI修飾的CEM細胞的Gmean FAM熒光強度；

（C）通過流式細胞儀證明ATP-響應的HCR；

（D）CLSM證明ATP-響應的HCR；

（E）通過流式細胞儀表征HCR的ATP特異性起始；

（F）HCR效率的統計分析；

（G）F中相應樣品的HCR反應的相對初始速率。

圖三、評估HCR對FA引導的細胞組裝效率的影響
（A）CLSM圖像；

（B）基于CLSM數據的T-cho3-DI/FA和T-cho3-DI/HCR-FA基團的細胞裝配頻率的動力學分析；

（C）A的相應流式細胞儀測定；

（D）表征細胞簇的形成。

圖四、膜上DNA納米結構的細胞適應性
（A）膜上DNA納米組件的細胞適應性構建示意圖；

（B）通過CLSM表征細胞ATP誘導的DI從T-cho3-DI/Apt釋放；

（C）B中相應樣品的熒光強度（FI）的統計分析；

（D）通過流式細胞儀評估細胞分泌的ATP在膜錨定的T-cho3-DI/Apt上啟動HCR的可行性；

（E）D中相應樣品的熒光強度的統計分析；

（F）通過CLSM表征H1/H2納米組件的取向。

圖五、動態納米結構介導的細胞間相互作用
（A）動態納米結構介導的細胞間相互作用的示意圖；

（B）CLSM對ATP反應性細胞粘附的表征；

（C）B中PC12細胞聚集百分比的統計分析；

（D）通過CLSM評估對外部刺激的細胞適應性反應來操縱細胞間作用的可行性；

（E）對D中膜聯蛋白V染色的K562細胞百分比的統計分析。

【小結】

綜上所述，作者首次構建了一種細胞膜錨定動態DNA納米結構，以此模擬膜蛋白的功能行為和細胞活動的協調，促使細胞間的相互作用對環境刺激做出反應。作者以兩親性DNA四面體為支架，并將其高效、穩定地固定在細胞膜上。在感知細胞對環境刺激的適應性反應時，這種膜錨定的納米結構可以被激活，并通過串聯DNA雜交將多個功能模塊結合，即HCR反應。結果表明，具有多價效應的膜錨定HCR結構不僅能提高細胞聚集效率，而且能促進高階細胞團的形成。工程細胞可以識別并結合靶細胞，達到特定的殺傷效果。得益于模塊化設計和核酸化學的快速發展，該平臺可擴展為模擬和操縱多種生物反應，為定制細胞工程和智能合成生物學提供了新的范例。

文獻鏈接：DNA-Based Dynamic Mimicry of Membrane Proteins for Programming Adaptive Cellular Interactions. J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.0c11245.

本文由CQR編譯。

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