利用DNA四面体纳米结构探测和调控细胞内酶活性

基因修复是重要的细胞内过程，脱嘌呤/嘧啶核酸内切酶（APE1）是参与所有哺乳动物包括人类在内的基因修复的关键酶，它在保持基因组完整性和维持细胞稳态过程中具有重要作用。研究发现APE1是肿瘤细胞生物标志物也是潜在的治疗靶点。因此，对肿瘤细胞内APE1进行探测和调控有助于开发新型智能肿瘤诊疗手段。但目前缺乏对活细胞内APE1修复过程有效实时探测与调控的工具。

近日，北京化工大学生命学院苏昕副教授课题组开发了一种能够同时探测和调控活细胞内APE1活性的新方法。团队成员受DNA纳米结构的启发，构建了含有脱嘌呤/嘧啶（AP）位点的DNA四面体纳米结构。AP位点的位置决定了它的功能：当AP位点位于四面体的天线上时，APE1可以快速催化AP位点断裂，这一结构可以作为APE1探针；当AP位点位于四面体骨架上时，APE1难以催化AP位点断裂，但对于这一结构有足够的亲和性，这一结构可以作为APE1抑制剂（图1）。DNA四面体可以通过细胞内吞作用不借助转染试剂进入细胞中，通过改变DNA四面体上AP位点的位置，来探测和调控肿瘤细胞中APE1活性。

图1. APE1与DNA纳米结构反应原理图

研究发现APE1探针纳米结构分别与A549、HEK-293细胞孵育2 h后（图2A和B），A549细胞中荧光较亮，而在HEK-293中荧光较弱，说明APE1在肿瘤细胞中高表达，这一结果与Western blot结果相吻合，表明该探针能够准确反映细胞质中APE1的表达量。将APE1抑制剂纳米结构与A549细胞孵育后再加入APE1探针纳米结构，观察到较弱荧光（图2C），说明该抑制剂能够有效抑制细胞内APE1催化活性。APE1上调能够增强肿瘤细胞对化疗药物的抵抗力。APE1抑制剂可以作为某些抗癌药物的增强剂。与常规小分子抑制剂不同，这一工作中含有AP位点的DNA四面体结构对APE1特异性强，亲和力高，且生物相容性好，生物毒性低。这一工作为活细胞内酶的探测与调控提供了新的思路，并且有望将DNA纳米结构发展成为抗癌药物辅剂。

图2 利用DNA纳米结构探测与调控活细胞内APE1活性

该工作在Chemical Science 上发表。此项研究受到国家自然科学基金的支持，硕士研究生张怡为第一作者，塔夫茨大学Yingjie Yu博士和北京化工大学苏昕副教授为通讯作者。

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Probing and Regulating the Activity of Cellular Enzyme by DNA Tetrahedron Nanostructures

Yi Zhang, Yingnan Deng, Congshan Wang, Lidan Li, Lida Xu, Yingjie Yu, Xin Su

Chem. Sci., 2019, 10, 5959-5966, DOI: 10.1039/C9SC01912J