谭蔚泓&邱丽萍JACS：首次报道！DNA-基膜蛋白动态模拟，用于编程自适应的细胞相互作用

【背景介绍】

在多细胞生物中，细胞响应其微环境的变化而相互交流，由此构成了生命的基本生物化学。研究表明，这些细胞间的相互作用主要是通过膜蛋白的动态和特异性调节来协调。膜蛋白模拟结构的发展，使细胞对环境变化反应信号的识别和随后的表达调节能够考虑细胞间的相互作用，为智能生物操作、自下而上的合成生物学以及研究细胞信号网络提供新的机会。众所周知，DNA具有可编程性强、生物相容性好、结构可预测等优点，是开发用于生物模拟和操作的智能结构的最有前途的材料之一。近年来，DNA纳米技术的快速发展使得许多动态DNA纳米结构的构建成为可能，特别是研究人员热衷于利用DNA纳米结构模拟膜蛋白。同时，活细胞膜的复杂性和动态性给细胞表面工程带来了巨大的挑战。然而，由于许多关键膜组成的缺陷，这些模型在描述活细胞系统时存在不可避免的局限性。虽然来源细胞的囊泡保留了部分天然膜脂、蛋白质和糖类，但是仍缺乏自适应能力，无法与细胞生理过程联系起来。

【成果简介】

近日，湖南大学谭蔚泓院士和邱丽萍教授（共同通讯作者）等人首次报道了一种直接在细胞表面上设计DNA纳米结构，以研究其与细胞活性协同作用的动态行为。作者首先构建了细胞膜锚定的DNA纳米结构，其能够感知细胞对环境刺激的适应性反应，然后通过构象转换来操纵细胞间的反应。作者所在团队成功合成了具有三个疏水顶点的DNA四面体（T-cho3），并且证明了其在细胞表面工程中的优异性能。以T-cho3为支架，可以将动态DNA纳米结构有效、稳定地固定在细胞膜上。当暴露于外部刺激时，细胞会启动一系列的细胞内程序，以产生调节反馈，例如通过分泌特定的信号分子。这些分泌的信号分子可通过链置换反应来激活该细胞膜锚定DNA纳米结构，使得功能核酸通过杂交链式反应（HCR）在细胞表面串联自组装。通过这种方式，多个功能模块可以结合在一起，来调解细胞和外部环境之间的相互作用。研究成果以题为“DNA-Based Dynamic Mimicry of Membrane Proteins for Programming Adaptive Cellular Interactions”发布在国际著名期刊 J. Am. Chem. Soc.上。

【图文解读】

图一、细胞膜锚定的DNA纳米支架的制备与表征
（A）T-cho3的形成和细胞膜修饰的示意图；

（B）通过PAGE表征T-cho3的形成；

（C）通过CLSM评估不同DNA纳米支架的细胞膜锚定能力；

（D）C中相应样品的相对荧光强度；

（E）通过CLSM评估不同DNA纳米支架的内在化速率；

（F）相对应的E样本的相对细胞内化率。

图二、DNA纳米结构的ATP-响应组装
（A）通过PAGE验证H1和H2在四面体结构上的串联组装；

（B）在室温下，与1 μM H1和1 μM H2-FAM孵育不同时间的T-cho3-DI修饰的CEM细胞的Gmean FAM荧光强度；

（C）通过流式细胞仪证明ATP-响应的HCR；

（D）CLSM证明ATP-响应的HCR；

（E）通过流式细胞仪表征HCR的ATP特异性起始；

（F）HCR效率的统计分析；

（G）F中相应样品的HCR反应的相对初始速率。

图三、评估HCR对FA引导的细胞组装效率的影响
（A）CLSM图像；

（B）基于CLSM数据的T-cho3-DI/FA和T-cho3-DI/HCR-FA基团的细胞装配频率的动力学分析；

（C）A的相应流式细胞仪测定；

（D）表征细胞簇的形成。

图四、膜上DNA纳米结构的细胞适应性
（A）膜上DNA纳米组件的细胞适应性构建示意图；

（B）通过CLSM表征细胞ATP诱导的DI从T-cho3-DI/Apt释放；

（C）B中相应样品的荧光强度（FI）的统计分析；

（D）通过流式细胞仪评估细胞分泌的ATP在膜锚定的T-cho3-DI/Apt上启动HCR的可行性；

（E）D中相应样品的荧光强度的统计分析；

（F）通过CLSM表征H1/H2纳米组件的取向。

图五、动态纳米结构介导的细胞间相互作用
（A）动态纳米结构介导的细胞间相互作用的示意图；

（B）CLSM对ATP反应性细胞粘附的表征；

（C）B中PC12细胞聚集百分比的统计分析；

（D）通过CLSM评估对外部刺激的细胞适应性反应来操纵细胞间作用的可行性；

（E）对D中膜联蛋白V染色的K562细胞百分比的统计分析。

【小结】

综上所述，作者首次构建了一种细胞膜锚定动态DNA纳米结构，以此模拟膜蛋白的功能行为和细胞活动的协调，促使细胞间的相互作用对环境刺激做出反应。作者以两亲性DNA四面体为支架，并将其高效、稳定地固定在细胞膜上。在感知细胞对环境刺激的适应性反应时，这种膜锚定的纳米结构可以被激活，并通过串联DNA杂交将多个功能模块结合，即HCR反应。结果表明，具有多价效应的膜锚定HCR结构不仅能提高细胞聚集效率，而且能促进高阶细胞团的形成。工程细胞可以识别并结合靶细胞，达到特定的杀伤效果。得益于模块化设计和核酸化学的快速发展，该平台可扩展为模拟和操纵多种生物反应，为定制细胞工程和智能合成生物学提供了新的范例。

文献链接：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编译。

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