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DNA逻辑控制细胞膜受体组装实现可编程化的细胞信号转导调控

活细胞能够感知外界环境的各种刺激信号并准确地做出应答。从这个角度来看,细胞被视为一个天然存在的计算机,利用输入传感模块、基因调控网络和输出执行模块来执行多种生物任务。其中,输入传感模块作为检测和整合多种环境信号的处理单元,一直是研究的热点。这种处理外界多种复杂刺激的逻辑操控能力对确保细胞应答的准确性十分重要。因此,模拟细胞处理复杂信息的过程,对细胞进行重编程以整合多输入信号并启动特定的细胞信号转导具有重要的意义。


尽管利用合成生物学工具来设计遗传电路已经实现对细胞的重编程从而执行逻辑计算,但构建遗传电路需要对靶细胞进行复杂的基因工程操作。而目前大多数可用的非基因方法由于缺乏一种通用的手段来整合多种输入信号,大多是由单一的输入信号介导,无法满足处理复杂操作需求。


DNA分子具有精确可编程性、高灵活性和合成简单等优点,被认为是设计模块化逻辑电路的有力工具。近日,福州大学李娟教授(点击查看介绍)课题组提出利用核酸适体识别和DNA逻辑驱动细胞膜受体组装过程,实现了活细胞内源性膜受体组装,进而可编程化调控细胞信号转导。


如图所示,两种“捕获探针”首先与其对应的“阻挡探针”杂交,分别识别细胞膜上的两种蛋白受体。在DNA分子和/或光照的刺激下,引发DNA链置换反应或光响应的DNA杂交反应,实现按需控制蛋白受体的距离。在这个设计中,核酸适体被设计成“机械抓手”来捕获目标受体,DNA逻辑驱动的组装过程就像一个计算机处理器来整合处理多个输入信号。基于DNA的可编程特性,创建了一系列多输入驱动的逻辑门 (YES、NOR、AND、OR和AND/OR),实现细胞对各种输入组合进行编程性的应答,调控受体组装和细胞信号转导过程,进而操控细胞行为。


这种非基因工程的DNA逻辑驱动受体组装策略已经成功地实现了c-Met信号通路的调控。由于核酸适体可特异性识别细胞表面受体,该方法只需更换识别的核酸适体就可以很容易地扩展到其他信号转导过程。该工作基于DNA逻辑门的模块化设计实现了复杂的多层逻辑电路执行细胞膜受体组装及其功能的逻辑控制,为生物医学应用提供了一种非基因工程的可编程工具。


这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上,论文通讯作者为福州大学的李娟教授,文章的第一作者是福州大学博士研究生陈珊


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Logic-Gate-Actuated DNA-Controlled Receptor Assembly for the Programmable Modulation of Cellular Signal Transduction

Shan Chen, Zhifei Xu, Wen Yang, Xiahui Lin, Jingying Li, Juan Li,* Huanghao Yang

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201908971


导师介绍

李娟

https://www.x-mol.com/university/faculty/67620


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