 导语 细胞行为的精确控制是目前细胞治疗技术中的难点和热点。现代合成生物学手段通过基因工程技术对细胞膜表面受体的分子识别特异性进行改造，实现细胞行为调控。然而，对细胞的遗传操作限制了该方法的体内原位应用。日前，湖南大学化学化工学院聂舟课题组开发了一种基于DNA纳米机器的受体非遗传改造策略，对细胞膜表面受体特异性进行定制化改造，通过DNA纳米技术赋予其化学小分子响应性，实现了小分子调控的细胞行为。该策略应用DNA介导的化学诱导二聚化（D-CID）实现了受体酪氨酸激酶的二聚激活，并介导下游的细胞信号传导途径，可对细胞迁移行为进行精确控制。作者进一步通过不同的DNA功能模块组合，成功证明了该策略可用于多目标细胞行为的多化学因子精准正交控制，有望实现在复杂细胞环境下对特定靶细胞类型的智能行为调控。D-CID策略的DNA识别单元的多样性使其具有小分子配体及对应细胞膜受体的普适性。这种细胞行为的智能化调控策略有望为细胞治疗及再生医学的体内应用提供一种新思路。该工作发表在国际权威期刊《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201806155），并被该期刊选为“Hot Paper”。 聂舟教授简介 聂舟教授，国家杰出青年基金获得者。2002年在南开大学生命科学学院获得理学学士学位。2007年在中国科学院化学研究所获得理学博士学位。2007年后在湖南大学化学化工学院工作，2011年被评为教授，博士生导师。2012年在美国普渡大学做博士后。研究领域围绕生物医学中关键机制（表观遗传及细胞信号传导）的研究需求开展深入探索，发展基于功能蛋白质和核酸的生物传感新方法。自2009年以来作为通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci., Nucleic Acids Res., TrAC-Trend. Anal. Chem., Anal. Chem., Small, Chem. Commun., Chem. Eur. J.等SCI收录源刊物上发表论文60余篇，其中52篇文章影响因子大于5，近五年论文他引次数超过2000。获国家发明专利授权2项，受邀为Springer出版社撰写英文学术专著2章。 王洪辉教授简介 王洪辉副教授。2002年在南开大学生命科学学院获得理学学士学位。2002年至2004年在南开大学分子生物学研究所担任助理工程师。2004年获得日本文部科学省奖学金支持攻读博士课程，于2009年在日本群马大学医学部获得医科学博士学位。2009至2010年获得日中友好协会资助，在日本群马大学医学部分子细胞药理系担任外国人独立研究员。2010年至2014年获得美国心脏协会（AHA）博士后基金的支持，师从著名病理学家Marilyn Farquhar博士，在美国加州大学圣地亚哥分校从事博士后研究。2014年聘为湖南大学生物学院副教授，硕士生导师。研究领域围绕受体介导的细胞信号传导机制和细胞生物学功能，致力于开发细胞调控的合成生物学新方法。作为第一作者和通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Journal of American Society of Nephrology, Analytical Chemistry, Scientific Report, American Journal of Physiology等SCI收录源刊物上发表论文10余篇。 前沿科研成果 应用DNA纳米技术 实现细胞行为的精确调控 近日，湖南大学化学化工学院聂舟课题组报道了一种基于DNA介导的化学诱导二聚化实现细胞行为调控的方法。该方法利用化学响应型动态DNA纳米器件结合酪氨酸受体激酶重构一种DNA嵌合受体，赋予了靶细胞新的小分子响应功能。以肝细胞生长因子受体（c-Met）为例，特定小分子通过DNA链取代反应引发受体二聚化，进而激活下游细胞转导信号途径，控制细胞的极化和运动等行为。该工作通过引入核酸适配体和DNA酶作为DNA嵌合受体的感受元件，分别实现了ATP，组氨酸以及Zn2+等不同类型小分子对细胞信号通路的激活和细胞运动的控制。并利用微流控装置构建复杂多细胞环境，应用特定小分子响应型的D-CID可以实现混合细胞体系中的选择性细胞行为调控。该研究成果有助于未来在生物医学领域实现对复杂细胞系统的精确调控，为细胞治疗的体内应用提供新的思路。 作者利用核酸适配体作为DNA嵌合受体的感受元件，在细胞膜表面成功构建了响应ATP的D-CID体系，共聚焦成像和流式实验证明了ATP触发了细胞膜表面的动态DNA纳米器件，通过链取代反应实现了受体的二聚化。免疫印迹实验表明受体二聚化后成功实现了受体的磷酸化激活（图1）。 图1. 基于核酸适配体设计响应ATP的D-CID体系 （来源：Angew. Chem. Int. Ed.） ATP响应型D-CID介导的受体被激活后，引起下游细胞信号分子Akt的磷酸化激活，细胞骨架重排形成片状伪足，提升细胞运动的能力。在ATP浓度梯度的存在下， 修饰了ATP响应的DNA嵌合受体（AR）的细胞发生极化，并发生化学趋向性运动（图2）。 图2. 响应ATP的D-CID介导下游细胞信号转导和细胞行为 （来源：Angew. Chem. Int. Ed.） 为了实现D-CID的拓展性，作者将DNA嵌合受体的感受器元件替换成DNA酶，构建响应组氨酸和Zn2+的D-CID纳米器件用于受体激活和细胞行为调控。修饰有响应组氨酸DNA嵌合受体（HR）和响应Zn2+的DNA嵌合受体（ZnR）的细胞，分别展现出对组氨酸和Zn2+的化学趋化性细胞运动行为（图3）。 图3. 基于DNA酶设计的响应His和Zn2+的D-CID体系 （来源：Angew. Chem. Int. Ed.） 生长因子通过血液循环系统接触到体内所有的细胞类型，然而只有表达特定生长因子受体的细胞才会响应并表现出被生长因子调控的细胞行为。该研究应用微流体装置仿生模拟多细胞混合体系，进而采用三种正交的小分子/DNA嵌合受体配对，实现了同时调控混合细胞体系内的特定细胞的行为。在混合细胞体系中，AR、HR、ZnR三种DNA嵌合受体分别修饰的细胞只会响应对应的小分子，产生响应的细胞运动，彼此不发生干扰。应用该仿生体系，该项研究实现了模拟单因子、双因子和三因子对多种细胞的运动行为的选择性调控（图4）。 图4. 应用D-CID体系实现多细胞混合体系内的选择性调控细胞行为 （来源：Angew. Chem. Int. Ed.） 总结：聂舟教授课题组应用基于DNA的纳米机器成功实现了受体非遗传改造策略调控细胞行为，该方法展现了良好的选择性和精确性，为以后在体内细胞治疗应用提供了潜在的可能。该工作是湖南大学化学化工学院与生物学院教师通过跨学科合作在交叉领域所取得的最新成果，化学化工学院聂舟教授和生物学院王洪辉副教授为共同通讯作者，化学化工学院博士研究生李浩为第一作者，其他作者还包括王苗，史田慧，张景慧和杨思慧等。该项研究得到了国家自然科学基金杰出青年基金，国家自然科学基金委创新研究群体基金等项目的支持。 关于人物与科研 * 欢迎联系：editor@chembeango.com ·END· |
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