 跨膜信号传导以及细胞间信号通讯是生命活动的重要过程。在生物学上，细胞信号转导通路依赖于跨膜信号蛋白、离子通道、跨膜受体等将外部信号转化为内部信号。其中，受体酪氨酸激酶（RTK）信号传导属于一种二聚体信号传导机制，受体激活前以单体形式存在，当配体结合胞外结构域后，两个RTK分子在膜上发生二聚化，并激活膜内下游信号通路。在人工体系中重构信号通讯过程在智能生物传感、药物可控递送和逻辑门控体系等方面具有潜在的应用价值。近日，湖南大学的刘剑波教授课题组模拟细胞的RTK二聚体信号转导机制，发展了基于DNA人工受体的跨膜信号转导系统，实现了人工细胞之间的信号通讯。将H+离子响应的i-motif与具有过氧化物酶催化活性的G-四聚体分别裂开，设计了两个二聚体单体。膜外的H+离子诱导二聚体形成，进而激活膜内的催化反应。进一步将膜外的H+离子供体代替为凝集体液滴，凝集体液滴释放信号被囊泡上的DNA二聚体受体识别并产生二聚，进而激活囊泡内部的级联放大反应。 相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.（DOI: 10.1002/anie.202301559）。 DNA人工受体作为跨膜信号转导系统用于人工细胞间的通讯 细胞间信号通讯在许多生物过程中具有深远的意义，从多细胞生物的发展到神经系统的信息处理。阐明细胞信号转导的机理就意味着认清细胞在整个生命过程中的增殖、分化、代谢及死亡等诸方面的表现和调控方式，进而理解机体生长、发育和代谢的调控机理。在生物学上，跨膜蛋白负责跨膜传递化学信号，或通过离子通道或通过跨膜受体。在人工体系中重构信号通讯过程在智能生物传感、药物可控递送和逻辑门控体系等方面具有潜在的应用价值。与依赖于离子或分子跨膜物理交换的通道运输机制不同， RTK信号转导机制，受体激活前以单体形式存在，当配体结合胞外结构域后，两个RTK分子在膜上发生二聚化，并激活下游信号通路。一种新型人工信号跨膜转导系统，通过低pH介导的i-motif的形成以及基于DNA的人工膜受体的二聚化，在囊泡内部耦合荧光共振能量转移的发生以及G-四聚体/血红素介导的荧光激活和放大。并且将DNA人工受体用于构建人工细胞通讯网络，凝集体微滴取代成为H+的发送细胞，用于激活接收细胞中人工受体的二聚化，在接收细胞GUVs中产生荧光或发生聚合反应。首先作者证实了DNA人工受体能够在囊泡上进行信号跨膜转导与放大。如图1所示，DNA人工受体在低pH下能在膜上发生二聚反应，输出FRET信号，并且二聚后可以使得内部的G四聚体发生偶联，G四聚体/氯化血红素作为类过氧化物酶用于人工细胞内信号的放大，在H2O2存在的情况下，Amplex Red可以被氧化，产生高荧光的试卤灵。这表明模块化的DNA人工受体能被低pH激活，实现信号的跨膜转导和放大。图1. 人工受体介导的信号跨膜转导及放大（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）接着，将外部的低pH信号用另一个人工细胞取代，通过在凝集体人工细胞内部加入级联酶反应，构建一个能够输出H+信号的发送细胞。发送细胞接收信号后，发生级联酶反应，使得环境的pH降低，接收细胞表面的DNA人工受体感知环境pH降低后，膜受体发生二聚并激活囊泡内部的信号放大，实现人工细胞之间的信号通讯。图2. 不同合成原始细胞间的信号通讯（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）人工细胞间的信号通讯使得接收细胞内部发生多巴胺聚合反应，原位形成的聚多巴胺具有改造细胞的功能，形成的聚多巴胺聚合物具有支持细胞并充当细胞骨架的功能。图3. 细胞间通讯介导的囊泡内的聚合反应（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）细胞通讯介导的囊泡内聚合反应，其中原位形成的聚多巴胺作为仿生细胞骨架能够稳定人工细胞，大大提高其机械性能，并增强其对渗透性休克的耐受性。图4. 渗透性休克的耐受性（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）总结：通过模块化设计的DNA人工受体具有信号跨膜转导的功能，并且通过整合信号跨膜转导模块和酶介导的信号放大模块到二元原始细胞群落，这不仅有助于理解生物体中复杂的信号通信网络，也对自下而上构建逻辑可控人工信号系统具有启示作用。该研究成果发表于国际化学领域权威期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。本篇工作通讯作者为湖南大学的刘剑波教授。湖南大学博士研究生陈辉为该论文的第一作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金（nos. 21190044, 22177032）和湖南省自然科学基金（no. 2022RC3047, 2021JJ10013）的资助。DNA-Based Artificial Receptors as Transmembrane Signal Transduction Systems for Protocellular CommunicationHui Chen, Wanyu Xu, Hui Shi, Yan Qiao, Xiaoxiao He, Jing Zheng, Shaohong Zhou, Xiaohai Yang, Kemin Wang, Jianbo LiuAngewandte Chemie International EditionDOI: 10.1002/anie.202301559刘剑波课题组围绕人工细胞的化学合成及生物医学应用开展研究。课题组构建了凝集体巨型囊泡结构，开发了一种具有选择性膜通透性和内部大分子拥挤的新型人工细胞模型（J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 2866; J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: 10.1021/jacs.3c02540）；发展基于核酸纳米结构的人工跨膜信号传导平台（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 6853；Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202301559），开发产生一氧化氮的人工细胞用于生理代谢调控（Nat. Chem., 2020, 12, 1165-1173; Nat. Commun., 2022, 13, 5254）。课题组目前有博士后3名、博士7名、硕士10名。详见课题组主页刘剑波的个人主页 (hnu.edu.cn)。刘剑波，博士，湖南大学化学化工学院教授；化学生物传感与计量学国家重点实验室、生物纳米与分子工程湖南省重点实验室研究骨干。2011年获得湖南大学博士学位。2017-2019年在英国布里斯托大学开展博士后研究。获得中国十大新锐科技人物、湖南省科技领军人才、湖南省杰出青年基金、湖南大学岳麓学者等荣誉。主要开展化学生物学与分析化学方面的研究，主持科研项目10余项，包括国家自然科学基金4项，湖南省自然科学基金3项。目前发表学术论文100余篇，包括 Nat. Chem.、Nat. Comm.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.等通讯作者论文 50 余篇。授权发明专利 9 项。
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