采用细胞显微成像技术观测自组装DNA结构在活细胞中的摄取与转
DNA纳米技术为纳米药物载体、纳米机器人研究提供了一系列强大的工具，已逐渐成为一种纳米医学研究的热点。
近日，中国科学院上海应用物理研究所物理生物学研究室及上海光源生物成像中心樊春海和黄庆研究员合作，应用一系列先进的细胞显微成像技术并结合生物化学手段，清晰展示了一类自组装DNA四面体结构在活细胞中的摄取与转运过程，为其在药物载运和治疗方面的应用奠定了良好的基础。相关研究结果以封面论文的形式发表于《德国应用化学》杂志。
DNA不仅仅是生命的密码，还可以作为制造纳米级构件和机器的通用元件。利用DNA分子的自组装特性，DNA纳米技术领域的研究者可以根据简单的核酸碱基配对法则设计并在试管中构造出精确而复杂的DNA纳米结构。在这个领域中，DNA往往被看作是一种非生物的材料而不是在活细胞中那样作为遗传信息的载体。
尽管如此，由于自组装DNA纳米结构具有卓越的生物相容性，近年来研究者对于其生物医学应用产生了越来越浓厚的兴趣。DNA四面体结构是一类重要的自组装DNA纳米结构。2011年，樊春海和黄庆课题组在国际上首次报道了DNA四面体结构可以作为一种纳米尺度的药物载体，将具有免疫刺激效应的CpG寡核苷酸转运进入细胞并刺激产生特定的细胞因子，有望成为一种免疫治疗药物(ACS Nano 2011, 5, 8783-8789)。之后，国际上多个课题组相继报道了利用DNA纳米结构作为药物载体的工作。
然而，细胞膜具有负电性，通常会将同样带有负电荷的核酸分子屏蔽在膜外。而这些DNA纳米结构如何穿越细胞膜屏障而进入细胞内则成为一个谜。
经过多年的努力，梁乐博士等研究人员利用全内反射显微镜、单粒子示踪等细胞成像技术，实时观察到了DNA四面体结构穿过细胞膜并在胞内运输的过程，并揭示了其最终命运。研究表明，DNA四面体结构的细胞摄取是一种能量依赖的过程，在细胞膜上的小窝蛋白介导下产生内吞，该过程可以在1分钟内完成。
随后，DNA四面体结构通过由微管蛋白构成的细胞骨架系统进行运输，并最终到达溶酶体而被降解。有意思的是，当DNA四面体结构被连接上信号肽分子后，还可以改变细胞命运。例如载有核定位序列NLS的DNA四面体结构可以从溶酶体中逃逸出来而进入细胞核内。以上研究表明，当DNA分子组装成纳米结构后，可以像病毒一样借用细胞本身的转运系统“侵染”细胞，这为研制纳米机器人最终实现纳米诊疗提供了新的可能。
原文摘要：
Le Liang, Dr. Jiang Li, Dr. Qian Li, Prof. Qing Huang, Dr. Jiye Shi, Prof. Hao Yan andProf. Chunhai Fan
DNA is typically impermeable to the plasma membrane due to its polyanionic nature. Interestingly, several different DNA nanostructures can be readily taken up by cells in the absence of transfection agents, which suggests new opportunities for constructing intelligent cargo delivery systems from these biocompatible, nonviral DNA nanocarriers. However, the underlying mechanism of entry of the DNA nanostructures into the cells remains unknown. Herein, we investigated the endocytotic internalization and subsequent transport of tetrahedral DNA nanostructures (TDNs) by mammalian cells through single-particle tracking. We found that the TDNs were rapidly internalized by a caveolin-dependent pathway. After endocytosis, the TDNs were transported to the lysosomes in a highly ordered, microtubule-dependent manner. Although the TDNs retained their structural integrity within cells over long time periods, their localization in the lysosomes precludes their use as effective delivery agents. To modulate the cellular fate of the TDNs, we functionalized them with nuclear localization signals that directed their escape from the lysosomes and entry into the cellular nuclei. This study improves our understanding of the entry into cells and transport pathways of DNA nanostructures, and the results can be used as a basis for designing DNA-nanostructure-based drug delivery nanocarriers for targeted therapy.
作者：中科院
