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自組裝DNA納米結構的細胞過程
點擊次數：815 發布時間：2014-9-5
DNA納米技術為納米藥物載體、納米機器人研究提供了一系列強大的工具，已逐漸成為一種納米醫學研究的熱點。近日，中國科學院上海應用物理研究所物理生物學研究室及上海光源生物成像中心樊春海和黃慶研究員合作，應用一系列*的細胞顯微成像技術并結合生物化學手段，清晰展示了一類自組裝DNA四面體結構在活細胞中的攝取與轉運過程，為其在藥物載運和治療方面的應用奠定了良好的基礎。相關研究結果以封面論文的形式發表于《德國應用化學》雜志（Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53，7745-7750）。
DNA不僅僅是生命的密碼，還可以作為制造納米級構件和機器的通用元件。利用DNA分子的自組裝特性，DNA納米技術領域的研究者可以根據簡單的核酸堿基配對法則設計并在試管中構造出而復雜的DNA納米結構。在這個領域中，DNA往往被看作是一種非生物的材料而不是在活細胞中那樣作為遺傳信息的載體。盡管如此，由于自組裝DNA納米結構具有的生物相容性，近年來研究者對于其生物醫學應用產生了越來越濃厚的興趣。DNA四面體結構是一類重要的自組裝DNA納米結構。2011年，樊春海和黃慶課題組在上報道了DNA四面體結構可以作為一種納米尺度的藥物載體，將具有免疫刺激效應的CpG寡核苷酸轉運進入細胞并刺激產生特定的細胞因子，有望成為一種*藥物（ACS Nano 2011, 5, 8783-8789）。之后，上多個課題組相繼報道了利用DNA納米結構作為藥物載體的工作。然而，細胞膜具有負電性，通常會將同樣帶有負電荷的核酸分子屏蔽在膜外。而這些DNA納米結構如何穿越細胞膜屏障而進入細胞內則成為一個謎。
經過多年的努力，梁樂博士等研究人員利用全內反射顯微鏡、單粒子示蹤等細胞成像技術，實時觀察到了DNA四面體結構穿過細胞膜并在胞內運輸的過程，并揭示了其zui終命運。研究表明，DNA四面體結構的細胞攝取是一種能量依賴的過程，在細胞膜上的小窩蛋白介導下產生內吞，該過程可以在1分鐘內完成。隨后，DNA四面體結構通過由微管蛋白構成的細胞骨架系統進行運輸，并zui終到達溶酶體而被降解。有意思的是，當DNA四面體結構被連接上信號肽分子后，還可以改變細胞命運。例如載有核定位序列NLS的DNA四面體結構可以從溶酶體中逃逸出來而進入細胞核內。以上研究表明，當DNA分子組裝成納米結構后，可以像病毒一樣借用細胞本身的轉運系統“侵染”細胞，這為研制納米機器人zui終實現納米診療提供了新的可能。