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本文综述了外源DNA材料在活细胞内可控组装方面的最新进展。外源DNA材料能够通过与细胞内分子的相互作用来改变细胞环境，影响细胞功能；形成的DNA组装体可以干扰亚细胞结构，类似细胞器一样影响细胞行为。此外，在这种组装模式下DNA功能模块还能用于肿瘤高效检测、精确成像和可控药物递送。这篇综述不仅揭示了外源DNA材料在活细胞内的组装机制，还展示了在生物医学领域的巨大应用潜力。
中文题目：细胞里的乐高大师：DNA材料在活细胞内可控组装
英文原题：Controlled assembly of exogenous DNA-based materials in living cells
通讯作者：仰大勇，复旦大学
姚 池，天津大学
第一作者：杨 森，天津大学
李思齐，天津大学
关键词：DNA材料；动态组装；刺激响应性；活细胞；生物医学应用
背景介绍
细胞是构成生物体的基本单位，承载着复杂的生命活动。细胞内的组装过程不仅是生物体的基础行为，也是现代生物医学和合成生物学研究的关键领域。通过模拟自然界的自组装过程，科学家们正在探索如何利用外源活性物质精确控制细胞内的组装，以实现对细胞功能的调节。
脱氧核糖核酸（DNA）作为一种多功能的生物大分子，不仅承担着遗传信息的存储与传递任务，还展现出构建生物材料的巨大潜力。借助DNA分子独特的刺激响应性，研究人员能够设计出能够响应细胞内环境变化（如pH值、金属离子、ATP和酶等）的DNA结构。这些结构能够在细胞内精确组装，形成复杂的功能单元，从而影响细胞的行为和命运。
研究成果
本综述介绍了DNA材料在不同细胞内刺激（金属离子、pH值、酶、ATP等）下的可控响应组装。文章强调了具有良好刺激响应性的DNA材料的精细设计，并介绍了这些材料在癌症治疗、成像和细胞器干预中的作用（图 1）。
图1 外源DNA材料在活细胞中受控组装过程的刺激因素、组装基元和生物效应
特定细胞腔内的pH值为各种生化反应提供了最佳反应环境。DNA的i-motif结构，在溶酶体的酸性条件下由半质子化和胞嘧啶夹层折叠形成的DNA四聚体结构，可在酸性条件下保持稳定，目前已被广泛用作成像、传感、药物输送和细胞功能干预（图 2）。
图2 DNA响应pH值变化在细胞内动态组装，实现细胞功能干预。(a) C-单体的分子设计和合成路线。(b) C-单体缩聚成C-纳米颗粒、形成纳米纤维网络状水凝胶（I）以及随后组装C-单体（II）的示意图。(c) 细胞内酸性微环境诱导溶酶体中从纳米颗粒到细胞器样水凝胶结构拓扑转变的方案。(d) 肌动蛋白染色的相应方向图。(e) NIPAM-DNA纳米框架（NDHi）的制备和质子驱动的 NDHi组装。(f) 质子驱动的NDHi 在溶酶体（pH~5.0）中动态组装，造成溶酶体干扰。(g) 用Cy5-NDs培养4小时的A549细胞的共聚焦显微镜图像。(h) 用NDs处理4小时的细胞的TEM图像。红色箭头代表NDs。黄色箭头表示囊泡和囊泡融合的可能运动方向。
细胞选择性地保留金属离子以维持细胞渗透平衡，各种金属离子在细胞物质跨膜转运、生化反应信号通路和细胞器功能调控中发挥着关键作用。钾离子和钠离子等金属离子可通过配位占据G四链体结构内部的空腔，形成稳定的四链螺旋结构，以此实现胞内动态组装，调控细胞器功能（图 3）。
图3 DNA在金属离子作用下的胞内动态组装，用于线粒体干预和离子浓度检测。(a) TPP修饰的DNA四面体在活细胞内动态组装以干扰线粒体的图示，以及由此对细胞行为的调节。(b) MCF-7细胞的耗氧量。(c) MCF-7细胞的细胞外酸化率。(d) MCF-7细胞的归一化间隙与时间的关系。(e) 自然界中的K+响应离子通道。(f) 利用DNA的构象转变策略设计K+响应纳米吸管的示意图。(g) 单个MCF-7细胞和 (h) 被纳米传感器穿透的凋亡细胞的明场成像。
由于肿瘤细胞和正常细胞之间的ATP水平存在差异，ATP可被用作细胞内组装的化学信号和分子靶标。含有ATP适配体序列的DNA单链会折叠变形，与ATP形成适配体/ATP复合物，从而改变组装结构的形状，拉近两端连接体之间的距离。此外，当DNA适配体与特定链结合时，ATP可触发互补链的解离（图 4）。
图4 DNA响应ATP的细胞内组装，用于药物输送。(a）DNA交联聚合纳米框架（DPNF）的制备。(b) 通过DNA发夹在DPNF中的级联杂交，延伸DNA交联剂以加载siRNA。(c) ATP触发的siRNA从DPNFs中释放。(d) 通过FRET探索ATP触发ssDNA-12从细胞质中的SDPNF-ATP释放的示意图。(e）分别用SDPNF-ATP和SDPNF-nATP处理MDA-MB-231细胞6小时的CLSM图像。(f) siPLK1加载的DPNF-20在MBA-MD-231细胞中的基因沉默效果。(g) 肿瘤生长曲线。(h) 超分子自组装DNA纳米系统的分子设计，用于对癌细胞进行协同化学和基因调控。
酶在不同的细胞过程中表现出不同的功能。其中一些酶具有特异性识别核酸和蛋白质的能力。这些酶为核酸生物功能材料的细胞内分解和响应性组装提供了多种可能性（图 5）。
图5 DNA在细胞内的酶响应动态组装，用于精准医疗。(a) 通过单宁酸（TA）介导的核酸自组装和细胞膜伪装构建核酸纳米复合物，并在靶细胞中控制纳米复合物的分解，以实现智能药物递送和基因治疗。(b) 用不同材料处理的A549-EGFP细胞的荧光图像。(c) 静脉注射不同材料三次后A549肿瘤小鼠的肿瘤生长曲线。(d) 用于感知细胞内APE1的TE可激活再生DNA纳米机械（NEAP/NF）的设计。(e) 与NF或NE-AP/NF培养的MCF-7细胞的共聚焦荧光图像。标尺 = 25 μm。(f) 在有或没有TE的情况下，MCF-7、HeLa和L02细胞与NE-AP/NF培养的流式细胞定量分析。
未来方向
1. 构建更稳定的“类细胞器”结构
为了提高DNA组装体在细胞内的稳定性和耐久性，可以通过化学修饰、结构优化等手段增强DNA的稳定性，使其能够在细胞内长时间保持活性，实现更持久的生物效应。
2. 深入理解DNA与细胞内分子的相互作用
为了实现对细胞功能和行为的更精确调控，深入探究DNA材料与细胞内分子相互作用的具体机制将是未来研究的重点。这将有助于设计出能够响应多种刺激因子的DNA材料，使其能够适应复杂的细胞内环境，并根据不同的刺激强度促进有序组装。
3. 实现多模态响应与协同组装
未来的DNA组装材料将被设计为能够响应多种刺激因子，从而实现对细胞内复杂环境的同时响应。这种多模态响应能力将确保激活多个功能单元，并促进不同模块之间的协同作用，为细胞功能的精细调控提供可能。
4. 开发先进的表征技术和可视化工具
为了更好地理解细胞内组装过程，未来将开发更先进的表征技术和可视化工具，使科研人员能够实时观察到细胞内动态组装的过程，这对于揭示组装结构引起的生物效应机制至关重要。
主要作者简介
仰大勇 复旦大学“瑞清”特聘讲席教授，天津大学兼职教授。国家杰出青年科学基金获得者，主持国家自然科学基金优秀青年科学基金项目，入选海外高层次人才计划。研究方向为核酸化学与功能材料，在Chem. Rev.、Acc. Chem. Res.、PNAS、J. Am. Chem. Soc.、Angew Chem.、Nat. Commun.、Sci. Adv.、Nat. Protoc.和Adv. Mater.等杂志发表学术论文150余篇。出版教材和专著两部：《合成基因组学》（科学出版社，2020）、《核酸功能材料》（科学出版社，2024）
姚池 天津大学教授。主持国家自然科学基金优秀青年科学基金项目。从事DNA功能材料在生物传感方面的研究，在Chem. Rev.、Acc. Chem. Res.、PNAS、J. Am. Chem. Soc.、Angew Chem.、Nat. Commun.、Sci. Adv.、Nat. Protoc.和Adv. Mater.等杂志发表学术论文60余篇。
杨森 现为天津大学化工学院在读博士生，师从仰大勇教授。于2018年在河北农业大学获得学士学位，于2021年在天津大学获得硕士学位。研究兴趣主要集中在利用DNA功能材料分离细胞外囊泡及其在生物医学中的应用。在Angew Chem.、 Adv. Funct. Mater.、Nano Today 等杂志发表学术论文6篇。
李思齐 现为天津大学化工学院在读博士生，师从仰大勇教授。于2021年在天津大学获得学士学位。研究方向为DNA功能材料活细胞内可控组装及其生物效应和应用探索。
引用本文
Sen Yang, Siqi Li, Chi Yao et al., Controlled assembly of exogenous DNA-Based materials in living cells. Fundamental Research, doi.org/10.1016/j.fmre.2023.12.009.
原文链接（复制到浏览器中查看）：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325824000098
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