人工细胞间的信号传递系统控制跨膜通道的活性

在单细胞生物组成的群落中，比如真核生物和菌落，需要通过细胞间的信号通路进行胞间信号传递，以此来调节生理过程。这些过程主要是由膜受体蛋白完成的。随着对天然细胞信号传递过程的深入了解，科学家们基于天然信号传递系统，利用蛋白、肽和其他大分子，结合DNA折纸术或原型细胞，如脂质体囊泡等，构建出了一系列的人工信号传递模型，并最终衍生出一系列推动合成生物学发展的有力工具。

目前为止，DNA纳米技术由于其可编程性、可控性和可寻址性等优点，已经发展成为一种构建动态反应系统的有用技术。DNA纳米结构可以作为一种新型类膜蛋白结构，模拟天然蛋白的功能，再与磷脂双分子膜等膜结构结合，构建人工细胞，调节人工细胞膜功能。毫无疑问，DNA纳米结构可以增加人工细胞信号传递系统的功能性和真实性，从而揭示天然信号传递的物理和化学基础，进而推动生物合成学的发展。

近日，谭蔚泓教授（点击查看介绍）团队利用从活细胞中提取的巨型膜囊泡 (GMVs) 作为人工细胞模型，合成DNA纳米结构作为仿生蛋白，构建了人工信号传递系统来模拟细胞间的信号交流。他们将胆固醇修饰的DNA纳米结构（DNA三棱柱和DNA纳米孔）通过疏水相互作用锚定在巨型膜囊泡上，构建了两种人工细胞群落（GMV_A与GMV_B）。利用DNA链置换反应，两种细胞间发生信号传递，释放出信息链来打开DNA纳米孔膜通道，实现控制离子运输的功能。该过程分为三步：1）人工细胞间的信号识别与反应。GMV_B上的信号刺激器与GMV_A上的信号接收器发生反应，释放出可以打开纳米孔的密钥序列；2）信号接收者与信号调制者间的信号传递。释放出的密钥序列打开人工细胞膜上被加密的纳米孔，离子通道活性被改变；3）信号响应。离子通道被打开后，胞外钙离子通过离子通道流入胞内，完成信号传递全过程。

图1. 人工细胞间信号传递系统设计原理。

在两种人工细胞间信号交流发生之后，DNA纳米孔所形成的离子通道被打开，囊泡膜外高浓度的钙离子在渗透压作用下，经由被打开的离子通道延浓度梯度进入膜内，从而实现整个信号传递过程的发生。他们通过共聚焦成像和流式实验验证该过程的发生。该设计可以有效控制跨膜DNA离子通道的活性。这个人工信号传递系统的成功构建表明，得益于DNA分子的可控性和可编程性，以及DNA纳米元件的可集成性，研究人员可以精确地操控细胞间的信号传递，从而更好地模拟高级复杂的细胞功能。

图2. 信号响应过程的表征。

这一工作近期发表在J. Am. Chem. Soc.上，湖南大学博士研究生杨秋霞、郭振振和武汉大学博士后刘慧为共同第一作者。

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）：

A Cascade Signaling Network between Artificial Cells Switching Activity of Synthetic Transmembrane Channels

Qiuxia Yang, Zhenzhen Guo, Hui Liu, Ruizi Peng, Liujun Xu, Cheng Bi, Yaqing He, Qiaoling Liu*, Weihong Tan*

J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c09558

导师介绍

谭蔚泓

https://www.x-mol.com/university/faculty/10092