3天发遍Nature，Nat. Nano、Nat. Mater.和Nat. Chem，DNA研究到底有多火！
NanoLabs
2020-09-14
1953年，沃森和克里克发现了DNA双螺旋的结构，从那以后开启了分子生物学时代，使遗传学的研究深入到分子层次，帮助科学家们解开了一个又一个生命的奥秘。1982年，Nadrian Seeman首次提出DNA纳米技术的概念。自此以后，全球科学家致力于利用DNA的结构特性来进行构建和涉及复杂的纳米结构材料。当今世界，DNA纳米技术在生物医学、传感、分析等领域带来了许多新的突破，近日，国家纳米科学中心、上海交通大学、亚利桑那州立大学以及澳大利亚莫纳什大学等研究团队连续报道了DNA纳米技术相关进展。除此之外，英国爱丁堡大学也在Nature发表了关于DNA与耐药性的研究成果。现摘录如下，请相关领域的科研人员交流学习。依赖组蛋白H3第9位赖氨酸甲基化（H3K9me）的异染色质能够使基因转录沉默。在裂殖酵母中，H3K9me异染色质可以通过细胞分裂进行传播，前提是不存在抵消性去甲基酶Epe1。异染色质的遗传力可能使得野生型细胞在一定条件下获得表观突变，即通过不稳定的基因沉默而不是DNA改变来影响表型。有鉴于此，英国爱丁堡大学的Robin C. Allshire等研究人员发现异染色质介导的表观基因沉默可导致真菌耐药。在咖啡因阈值水平下生长的裂殖酵母产生了对咖啡因具有抗性的异染色质依赖性表观突变体。具有不稳定抗性的分离菌具有明显的异染色质岛，其嵌入基因的表达降低，包括一些突变赋予咖啡因抗性。在相关位点强制形成异染色质证实了耐药性是由异染色质介导的沉默引起的。这些分析表明，表观遗传过程促进表型可塑性，使野生型细胞适应不利的环境而无需遗传改变。在某些分离菌中，随后或同时发生的基因扩增事件会增加抗药性。咖啡因影响两个抗沉默因子，Epe1被下调，减少其染色质结合，并且表达了Mst2组蛋白乙酰转移酶缩短的同工型。因此，异染色质依赖性表观突变提供了一种对冲策略，使细胞能够暂时适应损伤，同时保持遗传野生型。咖啡因耐药性不稳定的分离株对抗真菌剂表现出交叉耐药性，进而表明相关的异染色质依赖性过程可能有助于植物和人类真菌病原体对此类试剂的耐药性。Sito Torres-Garcia, et al. Epigenetic gene silencing by heterochromatin primes fungal resistance. Nature, 2020.DOI：10.1038/s41586-020-2706-xhttps://www.nature.com/articles/s41586-020-2706-x
对于生命的出现，催化反应在原生细胞环境中的限制被认为是在空间中调节化学活性的一个决定性方面。今天，细胞和生物体通过反应网络来处理信号，最终提供下游功能反应和结构形态形成。在新设计的原始细胞中重现这样的信号处理是一个深刻的挑战，但对于理解具有生命特征的自适应系统的设计非常重要。有鉴于此，德国弗莱堡大学的Andreas Walther和瑞士巴塞尔大学的Thomas R. Ward等研究人员，报道了含有人工金属酶的工程全DNA原细胞，其烯烃化生活性导致下游形态发生原细胞反应具有不同程度的复杂性。
人工金属酶催化前荧光信号分子的分泌，产生一种自我报告的荧光代谢物，旨在削弱DNA双链相互作用。这导致了显著的生长，在荧光DNA机械传感器或粒子间原细胞融合存在的关节内功能适应。这种过程模拟了细胞适应和细胞间黏附的化学传导过程。
本文的概念展示了通过合成原始细胞中的非生物生物正交化学和机械转化来研究逼真的行为的新机会。此外，它揭示了一种在适应性和沟通性的软物质微系统中诱导复杂行为的策略，并阐明了如何在微隔室化介质中上调和维持动态特性。
参考文献：
Avik Samanta, et al. Functional and morphological adaptation in DNA protocells via signal processing prompted by artificial metalloenzymes. Nature Nanotechnology, 2020.
DOI：10.1038/s41565-020-0761-y
https://www.nature.com/articles/s41565-020-0761-y
1. Nature Chemistry：新型DNA折纸，改变DNA纳米技术世界！据报道，有两种策略可以构建微米级的DNA结构。一种方法是以支架为原始材料继续增大成更大的DNA折纸。另一种方法是使用粘性末端内聚或平末端堆叠将单个折纸结构连接在一起。每一个微米级的DNA结构通常需要一个或几个不同大小、形状和规定的匹配规则的独特DNA折纸。但是，目前想要组装具有可编程特性的更大尺寸（微米到毫米级别）的DNA结构仍然具有挑战性。这限制了DNA折纸在光电子学（例如，超材料）和合成生物学（例如，人工细胞）中的应用。那能否先构建一个多功能的亚微米的3D构建块，从而进一步构建出微米尺度的DNA物件呢？有鉴于此，美国亚利桑那州立大学颜灏教授、上海交通大学樊春海院士等人开发了一种通用的“元DNA”（M-DNA）策略，该策略允许各种亚微米到微米大小的DNA结构以类似于在纳米级水平上简单的短DNA链自组装的方式进行自组装。研究人员仅使用一种类型的DNA单元即可构建各种各样的静态和动态亚微米和微米尺度的DNA结构，这将打开光电子学（包括信息存储和加密）以及合成生物学领域。据悉，2018年，颜灏教授和樊春海教授曾于合作了关于以DNA折纸为模板制备复杂二氧化硅复合纳米材料，发表在Nature期刊上。图|自折叠、自连接的M-DNA结构和自组装的3D多面体Yao, G., et al. Meta-DNA structures. Nat. Chem. (2020). https://doi.org/10.1038/s41557-020-0539-82. Nature Materials：基于DNA器件的纳米疫苗，为癌症免疫治疗提供新思路！
基于可编程分子系统的结构明确的递送平台的开发，为癌症疫苗接种提供了巨大的潜力。一种最新发展的方法是合理设计和生产DNA纳米结构，使其具有可控的尺寸、形状和刺激响应的机械重构，作为精确分子传递的平台。鉴于此，国家纳米科学中心丁宝全等人描述了一种利用基于DNA的纳米技术来引发针对癌症治疗的强大的肿瘤特异性免疫应答的策略。即设计了一种DNA机器纳米结构，既可以保护抗原/佐剂有效载荷免受细胞外核糖核酸酶的干扰，又可以介导其有效转运至引流淋巴结（dLNs）。图| DNA纳米器件用于有效的癌症免疫治疗的示意图Liu, S., et al. A DNA nanodevice-based vaccine for cancer immunotherapy. Nat. Mater. (2020). https://doi.org/10.1038/s41563-020-0793-6
3. Nature Commun.：可定量蛋白质、DNA和纳米粒子在细胞中定位的分子传感器细胞内转运控制着受体信号传导、发病机制、免疫反应和纳米药物的命运，这些过程通常是通过使用共聚焦显微镜观察荧光标记物的共定位来跟踪的。然而，这种方法吞吐量低，受显微镜分辨率的限制，可能会错过短暂的相互作用。为了解决这一问题，澳大利亚莫纳什大学Angus P. R. Johnston等人开发了一种由淬灭的SNAP-tag底物(SNAPSwitch)组成的定位传感器，其可通过点击化学反应与生物分子结合。通过SNAPSwitch可以使用流式细胞仪对活细胞内目标位置的运输进行定量检测。利用SNAPSwitch，跟踪了DNA复合物从内体进入胞浆和细胞核的运输过程。研究发现，抗转铁蛋白或透明质酸受体的抗体在内吞作用后最初被分成不同的隔室。此外，通过此方法还可以分辨细胞膜材料位于哪一侧。Laura I. FitzGerald, et al. A molecular sensor to quantify the localization of proteins, DNA and nanoparticles in cells. Nat. Commun., 2020.DOI: 10.1038/s41467-020-18082-8https://doi.org/10.1038/s41467-020-18082-8
