Sci Adv︱陆艺/陈利清团队合作利用硫醇介导的摄取实现核酸分子在植物中的高校递送
撰文︱牟全兵，薛学义，陈利清，陆艺
责编︱王思珍：标题校正说明：“高校”校改为“高效”
编辑︱杨 婵
核酸适配体是利用SELEX（systematic evolution of ligands by exponential enrichment）技术从体外人工合成的随机寡核苷酸序列库中经过多轮筛选后得到的单链DNA或RNA，它可以高DNA或RNA与金属离子、小分子、糖类、脂质、蛋白质、细胞以及病毒等靶标特异性结合的亲和力，因此核酸适配体常被用于上述靶标的检测[1]。如近期，科研人员利用体外SELEX技术筛选出新型冠状病毒（SARS-Cov-2）的适配体并将其用于该病毒的检测[2]。近年来，基于核酸适配体的生物传感器获得迅速发展，广泛应用于疾病诊断与治疗、食品安全和环境监测等领域。但其在植物体内的靶标检测却鲜有报道，这主要是由于交联的多糖等组成的植物细胞壁，能阻碍粒径大于其间隙（5到20纳米）的粒子进入植物细胞中[3]，这种独特的细胞壁结构，屏蔽了多数的核酸分子递送系统，这就造成现有广泛应用于哺乳动物细胞中的核酸分子转化系统难以直接应用到植物细胞上。硫醇介导的摄取[4]是一种独特的细胞摄取机制，也是人类免疫缺陷病毒(HIV)使用的一种细胞进入机制，其被广泛应用于药物、蛋白、核酸分子、量子点等在哺乳动物细胞中的递送，植物细胞和哺乳动物细胞的细胞膜又有相似之处，然而在植物体内的递送尚无报道。因此，将核酸分子修饰上适用于硫醇介导的摄取的双硫结构并控制其尺寸在20纳米以内，则有望将核酸分子高效递送到植物细胞内，并可以实现核酸适配体生物传感器的转化，从而在植物细胞体内实时原位检测靶目标物。
2022年6月29日，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校陆艺教授/陈利清教授课题组合作在Science Advances上发表了题为“Efficient delivery of a DNA aptamer-based biosensor into plant cells for glucose sensing through thiol-mediated uptake”的研究。该研究利用硫醇介导的摄取向植物细胞内高效快速递送核酸分子，并将葡萄糖适配体生物传感器递送到拟南芥野生型和蔗糖转运有缺陷的拟南芥双突变体atsweet11;12的叶片中，实现了对这两种材料中葡萄糖含量的原位检测和差异比较，该核酸递送方法的建立将有望实现核酸生物传感器对植物体内的诸多靶标的原位分析以及其他功能核酸分子的高效递送。
为了实现植物细胞中的核酸分子递送，需对核酸分子在植物细胞的递送屏障进行仔细剖析。与哺乳细胞不同的是，植物细胞具有细胞壁结构，因此要实现植物细胞内的核酸分子递送，递送系统必需跨越细胞壁和细胞膜两重屏障。植物细胞细胞壁主要由交联的多糖构成，间隙在5到20纳米之间，这种交联结构能阻碍粒径大于其间隙的粒子穿越细胞壁。重要的是植物细胞和哺乳动物细胞的细胞膜又有相似之处，如在细胞摄取时，两者膜蛋白均能发生双硫和巯基的置换反应。正是由于两者的相似性，如能将递送系统的粒径控制在20纳米以内，并利用已有的哺乳动物细胞核酸分子递送系统，则有望实现植物细胞中核酸分子的高效递送[5]。硫醇介导的摄取递送系统就是一个理想的递送系统，其在哺乳动物细胞中得到了广泛的应用，如核酸分子的高效递送。但其在植物细胞中的应用却尚未报道。如按照哺乳动物细胞中硫醇介导的摄取结构设计方法，在核酸分子末端修饰上重复双硫结构，确保修饰后的核酸分子尺寸小于20纳米，则修饰后的核酸分子就很有可能能穿越细胞壁屏障，随后通过类似于哺乳动物细胞中硫醇介导的摄取途径高效地跨越细胞膜进入植物细胞中。为了验证这一设想，重复双硫结构修饰的核酸链段被标记荧光分子FAM并注射到拟南芥和烟草叶片中（图1A）。当核酸链段末端修饰重复双硫结构后，相对于未修饰双硫的核酸链段，其荧光强度在拟南芥和烟草细胞分别高出未修饰双硫核酸链段的荧光强度约15和17倍（图1B），表明重复双硫结构能高效辅助核酸分子进入植物细胞中。
图1 硫醇介导的摄取用于递送核酸分子到植物细胞中
（图源：Mou, et al., Science Advances, 2022）
作为一种植物新型的核酸分子递送系统，硫醇介导的摄取递送系统与近期发表的DNA四面体介导的递送系统[6]进行了递送效率的平行比较。等当量的荧光分子FAM标记的核酸分子分别被两个递送系统递送，注射到到同一片烟草叶子的不同位置。如图2C所示，注射硫醇介导的摄取递送系统组荧光强度高于DNA四面体介导递送系统组的荧光强度。统计两者的强度差异，前者强度约是后者的两倍（图2D）。这表明硫醇介导的摄取是一种高效的核酸分子递送途径。
图2 硫醇介导的摄取递送系统与DNA四面体介导的递送系统的平行比较
（图源：Mou, et al., Science Advances, 2022）
利用硫醇介导的摄取实现植物细胞中核酸分子的高效递送后，以葡萄糖核酸适配体[7]生物传感器为例，末端修饰重复双硫结构后，将其与阴性对照组注射到野生型和atsweet11;12双突变体拟南芥叶片中（图3A）验证该方法对功能性核酸分子的递送，因为拟南芥双突变体atsweet11;12在蔗糖从叶子外转运到其他组织上有缺陷，导致蔗糖和葡萄糖在叶子上有高度积累[8]。在体外实验时，阴性对照组对糖浓度变化无响应，而葡萄糖核酸适配体生物传感器组的荧光共振能量转移输出信号与葡萄糖浓度呈负相关（图3B)。注射阴性对照组的野生型和atsweet11;12双突变体拟南芥叶片中的植物细胞中的荧光共振能量转移输出信号相似（图3C&D）。注射葡萄糖核酸适配体生物传感器组的野生型的植物细胞中的荧光共振能量转移输出信号明显强于atsweet11;12双突变体拟南芥叶片中的植物细胞中的荧光共振能量转移输出信号（图3C&D），这与之前文献报道的拟南芥野生型和蔗糖转运有缺陷的拟南芥双突变体atsweet11;12叶片中的葡萄糖浓度差异[8]吻合，说明通过硫醇介导的摄取递送的葡萄糖核酸适配体生物传感器可用于植物细胞中葡萄糖的原位检测。
图3 硫醇介导的摄取递送系统用于葡萄糖核酸适配体生物传感器在拟南芥野生型和蔗糖转运有缺陷的拟南芥双突变体atsweet11;12叶片中的葡萄糖原位检测
（图源：Mou, et al., Science Advances, 2022）
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo0902
牟全兵博士为该研究论文的第一作者，薛学义博士为该研究论文的第二作者，陆艺教授/陈利清教授为通讯作者。该论文得到了 the DOE Center for Advanced Bioenergy and Bioproducts Innovation以 及 the Robert A. Welch Foundation基金的资助。
第一作者牟全兵（左），通讯作者陆艺（中）和陈利清（右）
（照片提供自：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校陆艺/陈利清课题）
通讯作者课题组简介（上下滑动阅读）
牟全兵于2012年获得四川大学高分子材料与工程学士学位（毕业论文指导老师赵伟峰教授，赵长生教授），2018年获得上海交通大学材料科学与工程博士学位，师从颜德岳院士，朱新远教授，张川副教授。2018-2021年在美国伊利诺斯大学香槟分校陆艺教授课题组从事博士后研究。随后转入德克萨斯大学奥斯汀分校继续从事博士后研究至今。主要研究方向为修饰核酸在生物传感器，疾病治疗等领域的应用。
陆艺教授于1986年获得北京大学化学系学士学位，1992年获得美国加州大学洛杉矶分校(UCLA）博士学位。后在美国加州理工学院(Caltech)美国科学院院士Harry B. Gray小组从事两年的博士后研究。从1994-2021年陆教授在美国伊利诺斯大学香槟分校任教，曾为该校化学系，生物化学系，生物工程系和材料科学与工程系Jay and Ann Schenck 终身教授。从 2021年起，陆教授成为Richard J. V. Johnson - Welch Regents Chair 在德克萨斯大学奥斯汀分校化学系任教。
陆艺教授长期从事：a)设计的金属蛋白的功能作为可再生能源和制药催化与工程; b）DNA酶的基础研究以及它们在环境监测，食品安全，医学诊断和治疗的研发和应用; c）生物纳米材料可控形态及其在成像和医学应用的指导组装。已是生物无机化学和DNA传感器的研究领域是领军人物之一。在Nature（3篇），Nature子刊（8篇）、Science（3篇）、PNAS (16篇）、JACS（70篇）、Angew Chemie（20篇）等国际著名学术刊物发表文章360多篇，并是一些国际著名学术刊物（如Accounts of Chemical Research，Analytical Chemistry, ACS Sensors, Inorganic Chemistry Frontiers 以及 Nano Research）编辑委员会或编辑顾问委员成员。由于其学术水平和成就，陆艺教授获得了很多科研奖，其中包括2015年英国皇家学会的应用化学无机化学奖（2015）和Joseph Chatt 奖 (2020) ,皇家化学学会Fellow（FRSC）（2015）和美国国家发明家学院Fellow （2022）。https://lulab.cm.utexas.edu/about/
陈利清助理教授于1999年获得南京林业大学林学系学士学位，2002年获得南京林业大学林木遗传育种硕士学位，2006年获得中国农业大学植物学博士学位，师从武维华院士。2007年加入了坐落在斯坦福大学内的卡内基研究所植物系（Carnegie Institution for Science - Department of Plant Biology）的Wolf Frommer教授实验室做博士后，三年后转成助理研究员。2015年底开始在美国伊利诺斯大学香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）任教至今。陈利清教授出国前就以并列第一作者的身份发表了中国农业大学首篇Cell研究论文,这也是我国植物研究领域发表的首篇Cell 论文。出国之后一直从事植物体内糖转运的研究，多篇研究成果分别在Nature, Science, Plant Cell, New Phytologist,Plant Physiology等国际知名学术期刊上发表。陈利清教授在早期职业生涯中就取得对领域的突出贡献，曾在2013年被赋予Tansley Medal。Lab webpage: https://publish.illinois.edu/lqchen-lab/。有对植物糖转运或对用植物生产生物能源感兴趣的学生可以与陈利清老师联系：lqchen77@illinois.edu
【1】Nat Biotechnol | 司龙龙团队报道调控蛋白质稳态，建立蛋白降解靶向（PROTAC）减毒疫苗新策略
【2】Nat Metab | 钟超团队发现PD-1信号维持肠道稳态的新机制
【3】Adv Sci︱梁晓龙/赵潇合作发现巨噬细胞外泌体在肿瘤放疗领域的重要应用
【4】Neurosci Bull 综述︱构建神经管类器官的研究进展和挑战
【5】PloS Genet︱陈晓光团队将蚊变性为“太监”，使其“断子绝孙”可期
【6】eLife︱杨黄河/张洋团队发现钙离子通道在细胞融合中的重要功能
【7】Acta Neuropathol︱陈础课题组揭示创伤性脑损伤促进阿尔茨海默病发展的关键因子
参考文献（上下滑动阅读）
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本文完