MBL实验室| ANGEW 基于DNA框架的人工DNA编码器用于解码复杂的自由基级联反应
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引言
L人体以生化分子等为信使，通过复杂连续的编码-发射-传播-接收-解码等通讯过程接收和传递信息，形成庞大且结构复杂的分子通讯网络结构，用以维持机体的各项功能及正常的生命活动。其中，由一系列高反应活性的自由基组成的级联反应便是一个典型代表。自由基级联反应参与各项生命活动，其网络结构受到由基因组编码的抗氧化网络的严格调控，一旦失衡，过量的自由基就可引起蛋白质和核酸变性，细胞内氧化还原稳态紊乱，使机体遭受不可逆的氧化应激损伤，诱导各种疾病的发生和发展，包括癌症、糖尿病、心血管疾病、神经退行性疾病等重大代谢性疾病。因此，及时、高效地清除过量的活性物种，保持正常的自由基代谢级联反应，对各种重大疾病的防治具有重要意义。然而，由内源性基因组调控的分子通讯通常存在信息传输过程复杂、耗时、解码活性有限且极易受环境干扰等诸多问题，导致机体难以及时高效地应对外界刺激，或对刺激的响应能力不足甚至失败，从而诱发各种疾病。因此，发展稳定、高效的分子通讯策略对理解和调控各种生物网络势在必行。
02
设计
L在这项工作中，我们创新性地提出了一种以核酸适体为收发器、DNA自组装结构作为信号传递通道和天然抗氧化小分子作为效应器的新型设计理念，成功构建了一种基于DNA框架的人工DNA编码器，并详细地探索了其对机体内复杂自由基级联反应的解码能力及其在自由基相关疾病防治方面的应用潜力。该人工DNA编码器能通过核酸适体收发器的分子识别作用感知自由基级联反应异常的靶标细胞，继而在编码器内置DNA框架的保护下，通过抗氧化效应分子直接且高效地作用于细胞内失衡的自由基级联反应，清除过多的自由基。与内源性分子通讯过程不同，由人工DNA编码器介导的分子通讯无需复杂耗时的复制-转录-翻译通讯过程。此外，该人工编码器可以抑制细胞内炎症因子的过度分泌，同时阻碍自由基与炎症网络之间有害的细胞内和细胞间的中短程通信，从而产生协同防治自由基相关疾病的效果。
图1 基于DNA框架的人工DNA编码器的设计及其分子通讯机制
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图文解析
L1. 基于DNA框架的人工DNA编码器的构建
在滚环复制的基础上，我们首先设计并成功合成了单分散，尺寸可控，耐酶切的DNA框架结构，为人工编码器的构建提供了一个集载体、信号传递和保护等功能于一体的多功能平台。同时，该结构在效应器单宁酸的作用下，可以由微米尺度的花瓣状结构浓缩为纳米尺度的球形结构，从而获得具有主动识别和强大的解码能力的人工DNA编码器。
图2 人工DNA编码器的合成过程
2. 人工DNA编码器对自由基级联网络广泛的解码能力
随着人体对营养的过度摄入，大量的自由基会在体内产生和积累，引发机体内氧化还原稳态紊乱、不可逆的氧化损伤和炎症反应。然而，天然的抗氧化防御系统表达的抗氧化酶，对自由基的清除能力有限，且其活性易受到pH和氧化还原微环境的干扰，加之，天然的抗氧化防御系统不表达针对自由基级联反应产生的·OH，ONOO-等高毒性的抗氧化酶，致使其无法逆转持续能量摄入引起的氧化还原微环境紊乱，进而造成机体内氧化损伤和炎症之间的恶性循环，诱导肥胖及多种并发症的发生和发展。相比之下，我们所构建的人工DNA编码器能对肥胖相关的多种自由基及其衍生物（O2·-、·NO、·OH、H2O2、1O2和ONOO-）都有强大的清除能力，展现了对自由基级联反应的广谱解码活性。
图3 人工DNA编码器对肥胖相关的几种关键自由基的清除能力
3. 人工DNA编码器对细胞内自由基级联反应的解码和对脂肪细胞分化的抑制
在此基础上，我们以3T3-L1细胞为例建立了脂肪化细胞模型，在细胞水平详细地考察了人工DNA编码器的自由基调控能力。结合流式细胞术、共聚焦荧光成像分析以及油红染色实验，发现人工DNA编码器可以选择性识别脂肪化的3T3-L1细胞，并清除脂肪化过程中产生的过量自由基，显著抑制降低细胞内脂质液滴的积累以及脂肪细胞的分化。相比之下，包含乱序DNA的编码器对脂肪化的细胞表现出较弱的自由基清除能力。除了直接诱导脂肪化进程，自由基过渡积累还可激活炎症信号通路，进一步促进细胞的脂肪化。值得提出的是，该人工DNA编码器可降低脂肪化过程中相关炎性因子的表达，阻断脂肪细胞内相关炎症通路的激活，从而达到协同干预细胞脂肪化的目的。
图4 人工DNA编码器特异性识别能抑制细胞的脂肪化
4. 人工DNA编码器抑制细胞-细胞间有害的分子通讯
在脂肪化过程中，失衡的自由基级联反应除了能激活细胞内的炎症信号通路，还可能通过细胞-细胞间的分子通讯，激活免疫细胞产生自由基和炎症因子，从而引发一系列的病理事件，如脂肪化加剧，系统性炎症和胰岛素抵抗等。鉴于此，我们进一步考察了人工DNA编码器对细胞间有害分子通讯的抑制能力。结果表明，我们所构建的人工DNA编码器不仅能特异性地消除脂肪细胞内自由基，还能有效地抑制免疫细胞内毒性自由基的积累和炎症通路的激活，从而有望阻断脂肪细胞-免疫细胞间不利的分子通讯，协同抑制疾病的发展。
图5 人工DNA编码器介导的免疫细胞分子通讯的抑制
5. 人工编码器在细胞及活体水平的分子通讯能力
为更好地阐述人工DNA编码器的应用潜力，我们构建了肥胖症小鼠模型，在活体水平详细地探索了该人工编码器的分子通讯能力。结果表明，得益于高效的自由基解码能力及抗炎活性，该人工DNA编码器能够有效地抑制高脂饮食引起的小鼠体重激增以及脂肪肝的形成，在抗肥胖及其并发症方面具有潜在的应用前景。
图6 人工编码器在活体水平的分子通讯能力
总结与展望
在这一工作中，我们针对内源性基因组编码分子通讯系统存在的信息传递过程复杂耗时、解码能力有限、且易受环境干扰等瓶颈问题，首次提出了人工DNA编码器这一设计理念，并以此构建了具有主动传感、实时驱动、原位和广谱的自由基解码效果、强大的抗环境噪声的人工DNA编码器，并在细胞及活体水平中均表现了优良的分子通讯能力，实现了自由级联反应的选择性、高效调控。值得提出的是，通过改变收发器或效应分子的类型，我们期望该工作可被推广到制备具有不同输入信息响应能力的人工DNA编码器，从而构建出多种多样的分子通信系统，为理解生物过程以及重大疾病的防治提供新思路。