介紹的是最近在Journal of the American Chemical Society上報道的一篇標題為“Cation-Controlled Assembly, Activity, and Organization of Biomimetic DNA Receptors in Synthetic Cell Membranes” 的文章。該文的通訊作者是劍橋大學化學工程與生物技術系Lorenzo Di Michele教授和Roger Rubio-Sanchez教授。本研究開發了一種基于DNA模擬物的人工受體結構，通過G-四鏈體結構模擬陽離子介導的結構和功能響應，模擬多聚體膜復合物在活細胞中信號樞紐的定位。
細胞膜是細胞用來感知和響應外界環境信號的重要組成部分，通常依賴膜受體組裝為多聚復合物或發生構象變化來引發下游信號傳遞。其中，陽離子（如Ca2?、K?）在信號傳遞中扮演關鍵角色，通常作為信使穿梭于生物膜之間，將物理化學刺激與突觸激活、細胞運動等反應聯系起來。通過合成細胞科學的方法構建具有生命特征的人造細胞是近年來的研究熱點，其能夠復制在活體中觀察到的一些復雜行為。能夠為解析基礎生物過程提供平臺，并有望在醫療健康和生物技術領域催生顛覆性應用。對于該領域的研究而言，膜功能的設計尤為重要。
納米技術因其可編程性強、結構可控等特點，成為構建人工細胞仿生系統的有力工具。DNA和RNA納米結構已被開發用于模擬細胞骨架纖維和無膜細胞器，或與脂質膜結合。同時，已經有一些兩親性DNA納米結構被應用于合成細胞膜，以編程包括分子傳感、跨膜運輸、囊泡分裂等過程在內的細胞膜活動。但能夠將陽離子響應性嵌入合成細胞膜等仿生系統的途徑仍然十分有限，因此，難以模擬陽離子控制的受體組裝、功能調控與空間定位。在DNA納米結構中，G-四鏈體（G-quadruplex, G4）結構是一種由陽離子穩定的二級結構，可作為響應性模塊用于構建智能膜系統。
基于此，本文作者開發了一種基于DNA納米結構的仿生膜受體，其結構和功能響應生理環境中的陽離子。通過將膽固醇修飾的DNA納米結構與分子間G-四鏈體進行界面結合，通過篩選不同的G-四鏈體長度和陽離子類型來調控脂質層表面受體的形成和動態結構。并通過添加一些功能化模塊，將過氧化物酶活性定位在相分離合成細胞膜的脂質域中。這一模塊化平臺實現了合成細胞膜結構和功能的陽離子驅動響應。
具體而言，作者使用一種由四條56 bp的雙鏈DNA組成的納米結構，其一端帶有六個連續鳥嘌呤（(G)?）的懸垂序列，另一端通過雙膽固醇（dC）錨定在脂質膜上。(G)?序列可在特定陽離子條件下形成分子間的G4結構，從而實現受體的四聚化組裝。在大型單層囊泡結構（LUVs）上研究受體組裝特性。動態光散射結果表明，G4功能化后囊泡尺寸略有增加，表明受體成功組裝，且未引起大規模聚集。Cryo-EM圖像顯示膜上出現電子密集區，圓二色光譜結果顯示263 nm和245 nm處的特征峰，是形成了G4結構的直接證據。（圖1）
圖1. 膜錨定DNA 納米裝置中的鳥嘌呤重復序列通過 G-四鏈體形成引導陽離子穩定受體的組裝。
接下來，作者研究了G4組裝結構的陽離子響應穩定性。他們設計不同長度G重復序列（(G)?-(G)?）的納米結構，并用一種能選擇性結合平行排列的G-四聯體結構的N-甲基介孔卟啉（NMM）探針表征G4形成情況。結果表明，膜上因局部濃度升高，G4形成概率相比于溶液中顯著增加，尤其是在K?、Ca2?等陽離子存在下。Li?和Na?效果較差。且膜約束導致的局部DNA濃度升高會更大程度上影響G4形成與穩定性。（圖2）
圖2. 膜聚集結構和陽離子環境可以控制G-四鏈體的形成。
進一步地，作者研究了這種組裝受體作為膜催化模擬物的能力。他們以一種基于G4鏈體活性的酶作為陽離子穩定受體模擬物的報告基團。將血紅素輔因子堆疊在G4結構上，構成具有辣根過氧化物酶HRP活性的模擬物，將熒光前體AR催化變為熒光素。不同的設計和陽離子條件會導致血紅素結合G4受體數量的不同，從而在不同條件下產生熒光產生速率的差異。通過熒光動力學曲線表征不同陽離子和G重復長度下的催化速率差異，結果顯示催化速率增強倍數（k0*）與NMM結果表征出的受體相對豐度結果呈正相關，表明催化活性與受體組裝程度直接相關。（圖3）
圖3. 陽離子控制的DNA人工受體用于模擬膜過氧化物酶活性。
最后，作者研究了該模擬受體在合成細胞膜域中的定位與功能。他們發現這種陽離子依賴性組裝和活性可以很容易地與膜相分離耦合，從而模擬細胞膜域內多聚蛋白納米機器的重組和活動。通過構建一種巨型單層囊泡GUVs，形成具有液態有序（Lo）與液態無序（Ld）共存的結構域。通過熒光素探針修飾DNA納米結構，用共聚焦顯微鏡表征分布情況。結果表明，DNA受體在液相有序域（Lo）中富集，尤其是形成G4后。對不同陽離子環境下膜上熒光分布的分析表明，陽離子存在下，G4受體在Lo域中的分配系數（K?*）顯著高于無G4對照組。功能實驗表明，K+和Ca2+存在時，含有受體的合成細胞膜比未功能化膜表現出更快且更高的HRP模擬物熒光轉化率，能成功實現膜域內的功能定位。（圖4）
圖4. 陽離子依賴性組裝將受體及其過氧化物酶活性定位在合成細胞膜的脂質區域內。
綜上所述，本研究成功開發了一種基于DNA的仿生膜受體平臺，具備陽離子控制的組裝、功能耦合和空間區域調控等特點。該平臺的模塊化設計與高度可編程性為合成生物學提供了強大工具，可應用于構建陽離子響應的信號通路、實現合成細胞的運動、分裂、通訊等高級功能。該研究還揭示了膜限制效應對分子組裝的重要影響，為今后設計膜基納米系統提供了理論依據。
作者：DYH 審校：ZXY
DOI: 10.1021/jacs.5c09928
Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c09928
