东南大学周志新/张袁健教授团队JACS：基于空间限域效应的核酸分子网络在细胞成像和基因治疗方面的应用

细胞生命活动不仅由生物分子的组成与成分决定，更依赖生物分子相互作用。细胞内相互作用的生物分子组成复杂分子网络，进而调控生命各项活动，产生复杂生命现象，例如由核酸组成的基因调控网络控制基因转录过程，由蛋白构成的蛋白质互作网络调控生命代谢过程等。细胞内复杂分子网络是天然的生物敏感元件，通过精确、灵敏、实时动态的响应环境变化，从而实现细胞生化事件的调控。通过向生命体内生物网络传感机制学习，从而发展细胞水平的多层次、多尺度、高灵敏实时动态分析传感新方法，将为生物分析化学与化学测量学带来新的机遇。然而，利用生物分子构筑协同作用的复杂生物分子网络，并将其应用于具有高灵敏、高通量、高选择性、实时动态分析，仍然是一项非常具有挑战性的新型课题。

基于此，东南大学周志新（点击查看介绍）/张袁健教授（点击查看介绍）课题组以核酸为基本结构工具，构筑了系列核酸分子网络，进一步发展基于空间限域效应的核酸分子网络生物传感探针，通过提高局域浓度显著提高了生物传感的灵敏度、响应速度和选择性，并将新型生物传感器应用于活细胞内的精准测量和基因表达过程调控（图1）。

图1. 构筑基于空间限域结构的核酸分子网络探针，实现高灵敏快速的成像分析和基因表达过程调控。

本工作首先基于熵驱动反应成功构建了核酸分子动态网络以及级联动态网络。其次，以核酸四面体框架结构为载体，发展了基于空间限域效应的核酸分子网络生物传感探针（图2）。通过限域效应提高局域浓度，该探针检测限对比自由状态提高四个数量级，响应速度提高70倍并且具有良好选择性。空间限域核酸分子网络生物传感探针工作原理，如图2所示，一个四面体T₂的四个顶点上分别修饰四条DNA链，G、G₁、H、H₁，当被miR-21触发后，G₁和H₁链上的阻隔链s和as被释放，同时形成HH₁、HG₁、GH₁、GG₁四个组分的动态网络“N”，此时信号报告分子处于开启状态，当miR-155存在时，进一步稳定HH₁和GG₁组分形成动态网络“O”，FRET信号进一步增强；与此同时，释放的阻隔链s和as互相杂交形成siRNA与形成动态网络中的DNAzyme部位协同作用，分别切割HIF-1α mRNA和EGR-1 mRNA，导致双基因沉默，从而实现对基因表达过程调控。

图2. miRNA驱动的空间限域核酸分子网络探针构筑及传感性能研究

紧接着，本工作中进一步借助于四面体框架核酸结构高效的细胞内化能力，将核酸分子网络递送至细胞内，通过荧光共聚焦实验和流式细胞术证明限域核酸分子网络探针能够实现细胞内多肿瘤标志物的智能成像分析以及对MCF-7、HeLa、HepG2、LX-2几种不同细胞系的细胞分型（图3）。最后，通过qPCR技术和WB实验证明限域核酸分子网络探针递送核酸药物能够有效抑制癌细胞基因和蛋白表达。利用miRNA响应的空间限域核酸分子网络指导药物精准释放，空间限域提升siRNA稳定性、细胞内吞能力、药代动力学，最终实现双基因协同治疗的效果（图4）。

图3. miRNA驱动的空间限域核酸分子网络在细胞成像方面的应用。

图4. miRNA响应的空间限域核酸分子网络在基因治疗方面的应用。

综上所述，本工作利用熵驱动反应构筑的空间限域核酸分子网络用于超灵敏分析检测、智能成像分析以及体内体外基因治疗。双基因协同调控策略、选择性凋亡癌细胞以及将体外治疗转化为体内实践，这都为推进核酸分子网络在实际分子诊断和治疗的应用提供了一种切实可行的方法。在重大疾病的早期诊断和治疗方面展现出巨大的应用潜力。

相关成果发表在Journal of the American Chemical Society。东南大学博士研究生林妮娜为本文第一作者。东南大学周志新教授和张袁健教授为论文的共同通讯作者。

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）：

Spatially Localized Entropy-Driven Evolution of Nucleic Acid-Based Constitutional Dynamic Networks for Intracellular Imaging and Spatiotemporal Programmable Gene Therapy

Nina Lin, Yu Ouyang, Yunlong Qin, Ola Karmi, Yang Sung Sohn, Songqin Liu, Rachel Nechushtai, Yuanjian Zhang*, Itamar Willner*, and Zhixin Zhou*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c03651

导师介绍

周志新

https://www.x-mol.com/university/faculty/364318 

张袁健

https://www.x-mol.com/university/faculty/19298