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DNA纳米结构用于疾病治疗的挑战
DNA纳米技术将天然核酸链通过人工设计折叠形成了精巧且形状各异的结构，在药物递送和疾病诊断治疗等生物医学领域展现出了很大的潜力。DNA纳米结构在本质上是核酸分子，进入细胞后在一定程度上会被核酸感受器识别，从而引起先天免疫。不同程度激活先天免疫的DNA纳米材料在生物医学中有着不同的应用场景。一方面，先天免疫系统的及时激活和有效调控对于机体抵抗病原微生物的侵袭至关重要；另一方面,先天免疫反应如果过度激活，则会导致自身炎症反应和自身免疫病的发生。DNA结构进入细胞后的治疗效果与它们引起的先天免疫有着密不可分的关系，然而，目前我们对DNA纳米结构可能引起的免疫反应的认知水平依然有限。
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胞质dsDNA感受器cGAS研究存在空白
虽然已有研究探索核酸纳米结构（例如单链RNA折纸[1]和DNA折纸[2–4]）在激活先天免疫感受器方面的潜力，并利用这些纳米结构的高度可编程性来精细调控先天免疫反应的强度，但先前的研究主要集中在Toll样受体（TLR）家族上的先天感受器。特别值得关注的是，cGAS-STING信号通路在固有免疫系统中扮演着核心角色，它对于识别细胞质中的DNA并触发免疫反应至关重要。然而，关于利用核酸纳米技术调节cGAS-STING通路的报道尚属罕见。
cGAS，即环状GMP-AMP合成酶（cyclic GMP-AMP synthase），是一种胞质DNA感受器。当cGAS与DNA结合时，它能够催化ATP和GTP合成环状GMP-AMP（cGAMP），作为第二信使激活下游信号通路。STING，即跨膜蛋白STING（stimulator of interferon genes），是cGAS下游的信号分子，位于内质网膜上。cGAMP作为STING的激动剂，能够与STING结合，诱导其发生构象变化，从而激活TANK结合激酶1（TBK1）和转录因子IRF3，最终导致I型干扰素（如IFN-β）和其他炎症因子的表达。
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cGAS-STING信号通路激活的调控
近期，我们团队进行了DNA纳米结构在激活cGAS-STING信号通路方面的研究。我们深入探讨了从双链DNA到DNA正四面体、DNA管乃至DNA折纸等多种DNA纳米结构对cGAS-STING信号通路激活的潜在影响。研究结果揭示了DNA双链的紧凑性与激发先天免疫反应之间的密切联系。基于这一发现，我们进一步利用可重构的DNA折纸多米诺阵列（DODA）作为研究平台，系统地探究了双链DNA的长度、数量及其空间排列如何共同调控cGAS-STING信号通路的激活强度。通过精确控制DNA折纸纳米结构上双链DNA的布局，我们成功展示了对cGAS-STING信号通路激活水平的调节，为未来设计具有特定免疫调节功能的DNA纳米材料提供了重要的理论基础和实验策略。
文章示意图
相关工作以“Investigation and Regulation of DNA Nanostructures on Activating cGAS-STING Signaling”为题发表在Small Methods。
文章要点
DNA纳米结构通常都通过将DNA主链用数条短链进行锚定来实现特定形状的折叠。为了最简化模拟这个过程，我们将一条104bp的ISD序列进行折叠，用相同数量的短链将一条DNA双链折叠成了中间有断点、对折一次以及对折两次的不同构象。我们将ISD单链、不同构象的DNA双链转染进人乳腺癌细胞MCF7中，经过24h之后将检测了cGAS-STING通路的激活情况。结果显示，双链DNA的完整性对免疫激活至关重要，结构化的DNA双链大幅降低了对于cGAS-STING通路的激活程度（图1）。已有研究证明，cGAS需要插入到双链DNA的小沟中，并且形成cGAS2:DNA2复合物以稳定相互作用[5]。双链DNA的折叠可以诱导双链DNA螺旋的紧密堆积，我们猜测推测双链DNA螺旋的紧密堆积使得cGAS与双链DNA结合以及二聚化的空间不足，由此不能激活下游的信号通路。
图1 结构化的双链DNA降低cGAS-STING通路的激活程度
基于此，我们研究了多种DNA纳米结构对cGAS-STING通路的激活潜力，这些结构包括DNA四面体（TDNs）、DNA管，以及DNA折纸。（图2）。结果显示，框架核酸在一定程度上激活cGAS-STING通路，激活程度随双链DNA边长增加上升。然而，DNA双链排布紧密的DNA管和DNA折纸对cGAS-STING信号通路近乎完全的抑制，强烈支持先前的假设，即致密的DNA结构不易于cGAS-STING通路激活。
图2 不同DNA纳米结构对cGAS-STING通路激活的影响
以往的研究已经证实，核酸免疫佐剂在DNA纳米结构上的排列方式会影响先天免疫的激活。基于这一原理，我们利用可重构DNA折纸技术，实现了对双链DNA的精确排列，DNA折纸构象转变过程中对DNA双链进行空间编程，以此探究细胞免疫系统对DNA双链的识别和应答特性。结果展示了双链DNA的长度、数量和空间分布协调影响cGAS-STING信号通路的激活水平（图3）。
图3 双链DNA阵列对cGAS-STING信号通路激活的调控
结论与展望
这项工作强调了在设计DNA纳米结构用于生物医学应用时，考虑其对免疫系统影响的重要性。我们将不同的DNA纳米结构转染至细胞并检测cGAS-STING信号通路的响应，证实了纳米结构中双链DNA的完整性及其空间排列对免疫激活起着决定性作用。特别是，DNA纳米结构的紧凑折叠能够显著抑制cGAS对双链DNA的识别与结合。此外，研究展示了通过纳米尺度的精确控制，可以实现对先天免疫通路激活程度的精细调节。这项研究不仅提供了对DNA纳米结构如何与免疫系统相互作用的新见解，而且为设计新型的免疫调节疗法和疫苗提供了潜在的工具。
文章链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202401041
参考文献
[1]K. Dai, Y. Xu, Y. Yang, J. Shen, X. Liu, X. Tu, L. Yu, X. Qi, J. Li, L. Wang, X. Zuo, Y. Liu, H. Yan, C. Fan, G. Yao, J. Am. Chem. Soc. 2023, DOI 10.1021/jacs.3c03477.
[2]C. R. Lucas, P. D. Halley, A. A. Chowdury, B. K. Harrington, L. Beaver, R. Lapalombella, A. J. Johnson, E. K. Hertlein, M. A. Phelps, J. C. Byrd, C. E. Castro, Small 2022, 18, 2108063.
[3]A. Comberlato, M. M. Koga, S. Nüssing, I. A. Parish, M. M. C. Bastings, Nano Lett. 2022, 22, 2506–2513.
[4]R. R. Du, E. Cedrone, M. A. Dobrovolskaia, M. Bathe, Innate Immune Stimulation Using 3D Wireframe DNA Origami, Bioengineering, 2022.
[5]J. A. Boyer, C. J. Spangler, J. D. Strauss, A. P. Cesmat, P. Liu, R. K. McGinty, Q. Zhang, Science 2020, 370, 450–454.
