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天津大學(xué)仰大勇課題組《Nat. Commun.》:利用DNA功能材料在活細胞中構(gòu)建人工過氧化物酶體
2022-12-22  來源:高分子科技

  近期,天津大學(xué)化工學(xué)院仰大勇教授團隊在DNA功能材料細胞內(nèi)可控組裝方面取得新進展,團隊設(shè)計了質(zhì)子驅(qū)動的動態(tài)組裝體系,實現(xiàn)了細胞內(nèi)信號驅(qū)動的DNA可控組裝,構(gòu)建了人工過氧化物酶體,相關(guān)成果發(fā)表在Nature Communications。仰大勇教授和姚池副教授為共同通訊作者,主要作者包括碩士生徐毓瑋和博士生唐建普。該工作得到國家自然科學(xué)基金等資助支持。


  活性氧(ROS)是細胞代謝中的重要信號分子ROS的過量產(chǎn)生或清除不足會導(dǎo)致細胞氧化應(yīng)激,損傷細胞的結(jié)構(gòu)完整性和細胞器功能,從而影響細胞的增殖、分化和代謝等生物學(xué)行為,與多種疾病的發(fā)病機制和進程密切相關(guān)。過氧化物酶體作為一種多功能細胞器,含有用于清除ROS的氧化還原酶,對于平衡細胞內(nèi)ROS水平至關(guān)重要。鑒于此,在ROS失衡的細胞中構(gòu)建人工過氧化物酶體,實現(xiàn)對胞內(nèi)ROS的有效清除,并研究細胞的生物學(xué)行為變化,有望探索疾病干預(yù)和治療的新機制、新途徑。 



圖1. 在活細胞中通過DNA分子動態(tài)組裝構(gòu)建人工過氧化物酶體。


  仰大勇教授團隊構(gòu)建了一種DNA/氧化鈰納米復(fù)合物DCNC),實現(xiàn)細胞內(nèi)動態(tài)組裝,構(gòu)建人工過氧化物酶體AP),有效清除胞內(nèi)ROS,并研究對ROS失衡細胞的生物學(xué)行為影響。氧化鈰與枝狀DNA的磷酸骨架通過配位作用形成納米尺寸的復(fù)合體。進入細胞后,DCNC依次響應(yīng)早期內(nèi)涵體和晚期內(nèi)涵體/溶酶體內(nèi)的酸性環(huán)境,發(fā)生自主解組裝和再組裝,在細胞內(nèi)部原位形成AP。在細胞中,AP通過氧化鈰的功能模擬過氧化物酶體清除高濃度ROS的功能,防止細胞氧化應(yīng)激DNA分子可控組裝賦予組裝材料理性可調(diào)的尺寸效應(yīng),很好地解決了材料細胞攝取與細胞內(nèi)滯留的矛盾,納米尺寸DCNC有利于細胞攝取,而DCNC在細胞內(nèi)組裝形成AP后尺寸增大,有效延長了胞內(nèi)滯留時間,增強了ROS清除功效。在此基礎(chǔ)上,通過氧化應(yīng)激模型研究了AP對細胞生物學(xué)行為的影響。結(jié)果表明,AP通過降低細胞內(nèi)ROS水平、維持穩(wěn)定的谷胱甘肽濃度,保護細胞骨架不受損傷,進而維持了細胞的遷移能力。對線粒體膜電位、Ca2+濃度以及胞內(nèi)ATP水平的測定,證明AP夠使細胞在受到ROS攻擊后仍維持正常的代謝以及生理活動。此外,細胞活性等相關(guān)實驗驗證,AP夠使細胞在高濃度H2O2環(huán)境中仍維持高活性,有效地抑制了細胞凋亡。該工作證明了在細胞內(nèi)原位構(gòu)建AP的可行性,并且驗證清除ROS的能力,這是未來進一步應(yīng)用的必要基礎(chǔ)。這項工作啟發(fā)研究者利用胞內(nèi)復(fù)雜的生物微環(huán)境,以及細胞和亞細胞水平上生物刺激的差異性,在特定位置進行可控組裝,調(diào)控細胞或細胞器功能,為疾病干預(yù)和治療探索新的途徑。


  原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-35472-2


  仰大勇課題組以生物大分子DNA為研究主線,聚焦DNA生物功能材料化學(xué)組裝與智能制造,并應(yīng)用于生命分析和疾病治療。


  課題組主頁:http://yanglab-dna.com/ 

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