DNA折纸技术在干细胞领域应用的研究进展
林云锋, 李松航
口腔疾病研究国家重点实验室 国家口腔疾病临床医学研究中心 四川大学华西口腔医院口腔颌面外科 成都 610041
[通信作者] 林云锋,研究员,博士,Email:yunfenglin@scu.edu.cn

[作者简介] 林云锋,研究员,博士,Email:yunfenglin@scu.edu.cn

专家简介

林云锋,研究员,博士生导师,主要研究方向为口腔再生医学的关键理论与技术。共发表SCI论著150余篇,累计被SCI论文引用2 500余次,其中以第一作者或通信作者发表的SCI论著104篇。担任SCI收录期刊《Bone Research》的执行主编、《Cell Proliferation》的副主编,以及《Journal of Dental Research》等5本SCI收录期刊的编委。主编《Osteogenesis》《Adipogenesis》《Stearic Acid》《Nanomaterials and Regenerative Medicine》《Mesenchymal Stem Cells and Craniofacial Regeneration》《Cartilage Regeneration》和《Adipose-Derived Stem Cells (ASCs): Clinical Applications, Biological Characteristics and Therapeutic Potential in Regenerative Medicine》7部英文专著。入选2016年国家高层次人才特殊支持计划(万人计划)、2014年创新人才推进计划中青年科技创新领军人才、2011年亚太青年科学家、2010年四川省杰出青年学术带头人、2009年Scopus未来科学之星、2008年全国百篇优秀博士论文、2008年教育部新世纪优秀人才、2008年四川省优秀博士论文,获得2013年第十三届中国青年科技奖、2013年教育部科技进步二等奖(第一完成人)、2013年成都市科技进步二等奖(第一完成人)、2012年教育部霍英东青年教师奖、2011年美国牙颌面干细胞协会青年学者奖等国内外奖项10余项。主持国家自然科学基金5项,主持万人计划特殊支持经费、四川省青年科技创新团队、教育部优秀博士学位论文专项基金、新世纪优秀人才支持计划等省部级课题10余项。

摘要

DNA折纸技术是近年来新提出的一种DNA自组装方法,可设计特定的DNA序列,遵循碱基互补配对原则来构建出更为复杂的纳米结构与纳米图案。近期发现通过DNA折纸技术构建出的DNA四面体纳米结构(TDN)在干细胞领域有着巨大应用潜能。本文就TDN结构、生物学特性以及在干细胞领域的应用进行综述。

关键词: DNA纳米结构; DNA四面体; 干细胞; 分化; 组织再生
中图分类号:Q75    文献标志码:A      
Research progress on application of DNA origami in stem cell field
Lin Yunfeng, Li Songhang
State Key Laboratory of Oral Diseases & National Clinical Research Center for Oral Diseases & Dept. of Oral and Maxillofacial Surgery, West China Hospital of Stomatology, Sichuan University, Chengdu 610041, China
Abstract

DNA origami is a newly proposed DNA self-assembly method in recent years. It can design specific DNA sequences and follow the principle of complementary base pairing to construct more complex nanostructures and nanopatterns. The recent discovery of tetrahedral DNA nanostructure (TDN) constructed by DNA origami has great application potential in the field of stem cells. In this study, we reviewed the structure and biological properties of TDN, and the applications of TDN in the field of stem cells.

Keyword: DNA nanostructure; tetrahedral DNA nanostructure; stem cell; differentiation; tissue regeneration

DNA由于具有自组装的特性、稳定的双螺旋结构、分子序列可编程性以及良好的生物相容性而被广泛应用于多个领域。同时, 也可以基于其自身的可编程性, 通过碱基互补配对原则将其折叠组装成不同形状、不同尺寸的DNA纳米材料[1]。DNA纳米材料具有较低的生物毒性、核酸酶抗性、相对稳定性以及可编程性等优点, 成为目前的研究热点[2]

DNA四面体纳米结构(tetrahedral DNA nano-structure, TDN)是一种通过DNA折纸技术而形成的四面体三维立体结构的DNA纳米材料, 具有能够调控生物学行为以及可通过细胞膜等不同于传统DNA大分子的特性[3]。由于DNA是携带有大量遗传信息的生物大分子, 同时自身带有负电荷, 因此无法直接穿过细胞膜进入细胞。经过DNA折纸技术构成的TDN能够利用其特殊的四面体三维结构, 通过内吞的方式穿过细胞膜, 进入细胞内部发挥作用[4]。正是DNA折纸技术所构建的TDN具有多种优势, 使其被广泛应用于干细胞、药物载体、生物成像、分子诊断等多个领域, 成为近年来纳米材料的新星[5, 6]

1 TDN的合成与表征

TDN是由4条单链DNA(single-stranded DNA, ssDNA), 通过碱基互补配对原则, 两两之间相互配对所折叠形成的四面体结构的纳米材料[7]。首先, 对4条ssDNA进行超微定量, 制备成100 μ L每条ssDNA为1 μ mol· L-1的体系。随后在95 ℃ 10 min, 4 ℃ 20 min的条件下完成TDN的折叠组装[8]。可以使用聚丙烯酰胺凝胶电泳(polyacrylamide gel electrophoresis, PAGE)观察TDN的产率, 并通过原子力显微镜、透射电子显微镜等方式观察TDN的形态, 测量TDN的分子量及其表面电位等方式来验证TDN的合成[9, 10]。在使用TDN的过程中, 为了避免培养基中血清对其作用效果产生影响, 需要在加入TDN之前将细胞培养基更换为无血清培养基平衡, 再加入TDN探究其作用[11]

2 TDN的生物学特性
2.1 进入细胞的方式

Li等[12]在其研究中得出, 相较于不能自由穿过细胞膜的大分子DNA, TDN能够通过小窝蛋白介导而被内吞入细胞, 并通过微管结构将其运输至细胞质的溶酶体内; 在细胞内, TDN能够在相当长的时间里维持其四面体三维结构。在溶酶体内终结命运, 显然无法使TDN发挥其自身的生物学作用及药物载体的优势, 因此在TDN表面加入核定位相关适配体, 使TDN获得逃逸溶酶体的特性, 可以使其能够越过溶酶体, 进入细胞核内发挥生物学功能或运载功能。在引入一种阳离子聚合物— — 聚醚酰亚胺(polyetherimide, PEI)后, 通过一步法快速完成孵育, 使PEI包裹在TDN表面形成PEI/TDN复合体, 结果发现PEI能够增强TDN的核酸保护作用, 促进TDN进入细胞以及增强TDN在细胞内的溶酶体逃逸作用[13, 14]

2.2 生物学效用

近年来研究[6, 9]发现, TDN在加入活细胞中后, 能够促进细胞内细胞周期蛋白依赖性激酶样蛋白-1(cyclin-dependent kinase like-1, CDKL-1)的上调, 从而使细胞进入S期, 促使细胞分裂、增殖。同时, TDN能够解除DKK-1对Wnt/β -连环蛋白(catenin)信号通路的抑制作用, 进而促进细胞增殖。这意味着TDN成为一种自身具备生物学效用的功能性DNA纳米材料, 将在再生医学领域具有广泛的应用前景。

同时, 研究[15, 16]发现, 将TDN加入炎症细胞中后, 其可以显著抑制白细胞介素(interleukin, IL)-1β 、IL-6和肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor, TNF)-α 等炎症因子的表达, 还可以通过上调抗氧化酶和血红素加氧酶的mRNA表达来抑制细胞凋亡和减少脂多糖诱导产生的活性氧, 证明了TDN在抗炎和抗氧化等方面的重要价值。

鉴于TDN具有穿过细胞膜的特性, 其在载药领域也得到了迅速的发展[8, 10]。TDN可修饰位点多样(顶点型、镶嵌型、胶囊型和悬挂型), 通过使用化学聚合物、反义寡核苷酸、适配体及药物修饰TDN, 可将药物运载至细胞内甚至细胞核内发挥作用。

3 TDN的在干细胞领域的应用
3.1 增强脂肪干细胞的迁移作用

脂肪干细胞(adipose-derived stem cell)是一种从脂肪组织中分离得到的具有多项分化潜能的干细胞, 其主要参与促进组织细胞再生、加快组织细胞的修复以及抵抗衰老等功能。有学者[17]发现, 在脂肪干细胞中加入TDN后, 具有促进脂肪干细胞迁移的作用。

细胞迁移(cell migration)是一种由多种因素调控的复杂细胞学行为, 是指细胞在接受了某些迁移相关的信号因子后而产生的移动[18]。这个过程包括了细胞头部的片状伪足向前的延伸并与细胞外基质形成新的黏附, 细胞体部的收缩, 细胞尾部收缩并脱离与细胞外基质黏附这3个过程交替的周期性运动。细胞迁移普遍存在于许多生物活动过程中, 如胚胎生长发育、免疫炎症反应、伤口愈合以及肿瘤细胞的转移等[19]

在组织受到损伤时, 细胞向受损区域迁移, 加速在受损区域附近的细胞分裂, 同时分泌生长因子从而使更多的细胞向受损区域迁移。目前已经被广泛证实, Rac和Rho的调控对细胞迁移过程起到了关键作用[20], Rac在细胞迁移过程中调节细胞头部肌动蛋白的聚合和细胞膜的延伸, Rho则负责调节细胞体部和细胞后部的收缩。现阶段认为, Rhoa激酶(Rhoa kinase, Rock)可以调节肌动蛋白丝的形成, 从而控制细胞骨架的张力变化, 最终导致细胞形态的改变, 在细胞迁移中可以协助细胞收缩[21]。此外, Rhoa和Rock可以控制肌动蛋白-肌球蛋白的收缩性和细胞后部的收缩, 从而最终实现细胞向前的迁移[22]

Habets等[23]发现, 加入不同浓度(62.5、125和250 nmol· L-1)的TDN培养后, 脂肪干细胞迁移速度明显加快, 并且随着浓度的升高, 迁移速度增加。这是因为在加入TDN后, 一些与细胞迁移有关的基因(如Tiam1、Rac1、RhoaRock2、Vcl等)的表达发生了明显的上调, 其中Tiam1蛋白能够诱导细胞形成伪足, 并可通过整合素介导Rac1的激活。

另外, 长链非编码RNA(long non-coding RNA, LncRNA)XLOC 101623的表达与细胞迁移存在明显的负相关性, 其可以作用于Tiam1并使其表达下调。在实验中发现, 与对照组相比, 加入TDN的实验组细胞中LncRNA XLOC 101623的表达显著下调, 而其中Tiam1的表达显著增加; 由于Tiam1为Rac1的激活剂, 实验组Rac1的表达也显著上调; 与此同时, 实验组Rhoa与Rock的表达也显著增加, 这从原理上说明了TDN的加入促进了脂肪干细胞的迁移运动。从机制上讲, 加入TDN培养后, 其被脂肪干细胞内吞, 抑制了LncRNA XLOC 101623的转录, 同时激活了Tiam1/Rac和Rhoa/Rock2信号通路, 进而使迁移相关性基因的表达改变, 最终导致肪干细胞迁移运动的增强。而基于以上的发现, TDN在再生医学和组织修复领域体现了极为广泛的应用前景。

3.2 促进间充质干细胞的成骨向分化

间充质干细胞(mesenchymal stem cell)是来源于发育早期中胚层的一种多潜能干细胞, 可在特定的诱导条件下分化为骨、软骨、脂肪、神经、肌肉等组织细胞。椎间盘源性干细胞(annulus fibrosus-derived stem cell)是一种间充质干细胞, 是目前骨组织再生的理想干细胞[24]。相较于骨髓干细胞(bone marrow-derived stem cell)具有来源丰富、微创以及容易分离等优势, 因此成为了近年来骨组织再生领域的研究热点。目前广泛认为, Wnt/β -连环蛋白信号通路是间充质干细胞中成骨向分化的重要调控因子[25], 而β -连环蛋白则是Wnt/β -连环蛋白信号通路的一个重要调节器[26], 其可以进入细胞核与Lef-1相互作用, 进而调节Wnt靶基因(如Runx2)的表达, 最终促进间充质干细胞的成骨向分化[27]。将250 nmol· L-1的TDN加入椎间盘源性干细胞中孵育, 发现细胞内的β -连环蛋白、Lef-1以及细胞周期蛋白D均有所上调; 在TDN处理24 h后, 椎间盘源性干细胞中的β -连环蛋白显示出较强的荧光信号, 表明TDN通过经典的Wnt/β -连环蛋白信号通路在诱导椎间盘源性干细胞成骨向分化中发挥作用。而且在碱性磷酸酶染色和钙沉积实验中得出, TDN通过提高碱性磷酸酶活性和促进基质矿化, 在促进骨形成中起到重要的作用。

TDN能够诱导成骨向分化的特性很可能在其他的间充质干细胞中适用, 而这一极具优势的生物学特性无疑使TDN成为了再生医学中的一个关键点, 在未来的骨组织再生工程中成为一种理想的纳米材料。

3.3 促进神经干细胞的增殖与神经元的分化

近年来有研究[28]表明, TDN能够促进神经干细胞(neural stem cell)的自我更新和分化。神经干细胞存在于神经系统中, 具有分化为神经元、星形胶质细胞及少突胶质细胞的潜能, 同时能够产生大量脑细胞组织并且进行自我更新[29]。曾经有研究[30]利用前列腺素E2在体外促进神经干细胞自我更新和分化的能力, 但由于此类药物在生物相容性等方面的局限性而没有得到广泛的应用。在神经干细胞中加入250 nmol· L-1 TDN孵育培养后, 发现实验组细胞显著增殖; 通过流式细胞术观察神经干细胞24 h的细胞周期, 发现S期细胞数量明显增加, G1期细胞数量明显减少。由此可以得出, TDN在促进神经干细胞自我更新方面有着显著作用。β -Ⅲ -微管蛋白是神经元的标志物, 当神经干细胞分化成为神经元时分泌出来。加入TDN孵育的神经干细胞中β -Ⅲ -微管蛋白的mRNA及蛋白质含量较对照组显著增多, 因此推断TDN通过上调β -Ⅲ -微管蛋白而实现促进神经干细胞向神经元方向的分化。目前, 神经干细胞移植治疗成为了临床治疗中的热点话题[31], TDN的出现无疑能成为解决神经退行性疾病或由创伤及缺血性脑损伤引起的神经损伤的一大利器, 为更有效地治疗神经系统疾病提供了新的方法。

3.4 促进牙髓干细胞的增殖与成骨/成牙的分化

在人的牙髓组织内存在的牙髓干细胞(dental pulp stem cell)具有多向分化的潜能, 可在不同细胞因子的诱导下向成牙或成骨等多个方向进行分化, 因此也被认为是一种理想的组织再生干细胞[32, 33, 34]。有学者[35]在使用250 nmol· L-1TDN处理牙髓干细胞后, 发现牙髓干细胞显著增殖, S期细胞增多, G1期细胞减少。在成骨分化影响方面, 与成骨相关的基因及蛋白质(如Runx2、Alp、Opn及Ocn)的表达水平增高, 证明其在诱导牙髓干细胞成骨向分化方面起着重要作用。牙本质涎磷蛋白(dentin sialophosphoprotein, DSPP)是一种牙源性的重要标志物, 实验组较对照组的DSPP基因表达显著上调, 证明了TDN对于牙髓干细胞在成牙方向存在着重要影响, 这对于牙再生领域存在着重大意义。Notch信号通路为影响牙髓干细胞向成骨/成牙方向分化的重要调节器[36], 而Notch1、Hes1及Hey1是Notch信号通路中的关键调节因子。在加入TDN后, 实验组的Notch1、Hes1及Hey1的mRNA和蛋白质的水平均显著高于对照组, Notch信号通路被激活, 这也证明了TDN能够在一定程度上通过激活Notch信号通路而诱导牙髓干细胞向成牙/成骨方向分化[37]。这将会为牙髓干细胞在骨组织再生或牙组织再生的应用方面提供一种新的选择。

4 总结与展望

在过去的干细胞研究中, 所采用的药物或材料都面临着生物相容性差、生物利用度低等诸多问题。TDN具有能够促进干细胞进行自我更新、促进干细胞迁移以及促进干细胞向特定方向分化等诸多优势, 而其极好的生物相容性及较高的生物利用度也是其目前被广泛应用的原因[38]。这些生物学特性的发现, 也为修复缺损组织、修复受损神经组织、骨组织再生、牙组织再生等再生医学方面提供了更多的治疗方法。目前来说, TDN极具优势的特性也开始逐渐被探索、开发, 出现更多的载药方式, TDN可搭载如小分子、反义寡核苷酸序列靶向适配体等结构进入细胞发挥作用[39]。相信可以通过TDN携带某种或某几种信号分子进入细胞, 激活某些信号通路, 最终实现干细胞在增殖或分化以及迁移等方向的改变。近期有研究[40]报道, 通过常规DNA折纸技术获得一种TDN的镜像结构, 其具有相对于普通TDN更强的血清稳定性, 能够在小鼠体内存留更长的时间。而延长TDN在体内的代谢时间以及探究携带通路信号分子的TDN效果, 成为了目前干细胞领域的焦点话题[41], 这将成为开启纳米材料在再生医学领域应用大门的一把新型钥匙。

The authors have declared that no competing interests exist.

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