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引言

细胞膜提供了高度复杂的生物学界面，这种界面含有各种必需的表面受体，从而使得细胞能够相互识别或交流。这些细胞的表面受体可以通过细胞表面工程来控制细胞的功能和行为。因此，合理设计人工受体或修饰细胞膜上的天然受体研究细胞与细胞的结合和相互作用，对于细胞的调控，细胞治疗和组织工程具有广阔的前景。用于细胞表面修饰的最广泛的方法是对细胞内部成分进行遗传工程改造以显示所需的表面受体。但是，该方法可能难以实施，并且会干扰细胞内部的生物过程。为了克服这一局限性，研究人员开发非遗传改造方法将分子或颗粒直接附着到细胞表面。但大多数报道的非遗传方法都集中在控制细胞组装上，而且大多数先前的研究都使用核酸，蛋白质或有机代谢物作为控制的触发。因此，尽管在该领域取得了一定的进展，但设计一种简单的策略来实现由金属离子触发的可控细胞间相互作用仍具有挑战性。

成果简介

近日，伊利诺斯大学陆艺教授，在JACS上发表了题为“CellSurfaceEngineeringUsingDNAzymes:MetalIonMediatedControlofCell?CellInteractions”的文章。本文报道了一种智能且通用的方法，该方法可基于由金属离子触发的RNA裂解DNAzyme来控制细胞间的相互作用。DNAzyme于年首次发现，是一类催化性DNA分子，通常在存在特定金属离子作为辅助因子的情况下，可以执行酶促功能。在这项工作中，作者采用了金属离子特异性的RNA裂解DNAzyme及其各自的底物链作为构建基块，用于操纵细胞行为的不同控制开关，包括细胞与细胞的结合以及HeLa细胞和多细胞球体的解离等。

图文解读

示意图.（a）DNAzyme控制的细胞间相互作用，（b）通过DNAzymes控制细胞解离的两种因素。输入Zn2+和Mg2+，“1”表示添加,“0”表示不添加;输出:细胞的输出，“1”表示解离,“0”表示没有改变。

图1.（a）Zn2+特异性DNAzyme控制细胞间的相互作用。（b）荧光图像显示两个比例不同的细胞组的混合物。（c）细胞图像显示了第1组和第2组细胞的受控相互作用（1：1）。BF：明场，FAM：绿色荧光通道，Cy5：红色荧光通道，混合：绿色和红色通道混合。（d）3D单元图像显示（c）中的单元集。（e）显示培养皿的明场图像和相应照片。在存在2mMZn2+的情况下，底物链2从核糖核苷酸裂解位点裂解，导致细胞在5s内立即解离。

图2.（a）用于AND操作基于DNAzyme的控制开关的设计。（b）显示不同输入下AND运算的输出的单元格图像。红色箭头：2mMZn2+和2mMMg2+处理之前的细胞组装。蓝色箭头：2mMZn2+或2mMMg2+处理后的细胞组装。通过杂交，将AND链1修饰的细胞与AND链2修饰的细胞连接，形成细胞组装体。只有同时存在Zn2+和Mg2+时，双链才能被切断，从而导致细胞解离。

图3.（a）用于OR操作的基于DNAzyme的控制开关的设计。（b）显示不同输入下OR运算的输出的单元格图像。BF：明场。FAM：绿色荧光通道。Cy5：红色荧光通道。混合：绿色和红色混合通道。红色箭头：2mMZn2+和2mMMg2+处理之前的细胞组装。蓝色箭头：2mMZn2+或2mMMg2+处理后的细胞组装。通过双链连接组装细胞后，可以在存在Zn2+或Mg2+的情况下将细胞组装体分离为单个细胞；因此，可以获得或门逻辑运算。细胞实验表明，在活的HeLa细胞中实现了OR逻辑运算。

图4.（a）T细胞球体（链1修饰）和HeLa肿瘤细胞球体（链2修饰）之间的相互作用由Zn2+特异性DNAzyme控制。（b）明场图像显示T细胞球体和HeLa肿瘤细胞球体相互靠近，形成连接并在Zn2+处理之后断开连接。（c）Zn2+特异的DNAzyme控制的T细胞“walker”。（d）明场图像显示T细胞球体从一个肿瘤细胞球体迁移到另一个。因此，实现了T细胞球体的迁移，通过引导杀伤性T细胞进入癌细胞区域杀死癌细胞，然后离开去攻击另一个疾病目标，这种现象可以作为一种潜在的癌症治疗新工具。

总结与展望

总之，本文成功地实现了基于金属离子触发的DNA酶调控细胞间相互作用。首先，将Zn2+特异的RNA裂解DNAzyme及其底物链用作控制开关，用来操纵细胞的组装和解离。基于金属离子的DNAzyme的裂解，可以通过Zn2+的浓度精确控制细胞的解离行为。其次，作者使用Zn2+特异性DNAzyme，Mg2+特异性DNAzyme及其底物来构建DNA双链分子控制开关，从而实现包括AND和OR操作在内的两种因素的解离控制。此外，还使用建立的DNAzyme策略观察了多细胞球体之间的细胞间相互作用，这种DNAzyme控制的T细胞球体在不同肿瘤细胞球体之间的迁移为将来的治疗应用开辟了一条新途径。

陆艺教授年获得北京大学化学系学士学位，年获得UniversityofCalifornia(LosAngeles)博士学位，年起在美国伊利诺斯大学Urbana-Champaign分校任教，现任该校教授。陆艺教授研究领域涉及生物无机化学及其在生物医学工程、环境工程、化学工程等方面的应用，在金属蛋白的设计与工程、酶催化工程、DNA和RNA的结构和活性等方面开展了深入研究，并将相关研究成果应用于生物传感器、环境工程等领域，取得了卓有成效的成果，在Nature、Science、PNAS、Adv.Mater.、Angew.Chem.Int.Ed等国际著名学术刊物发表论文，在著名期刊上发表文章已达余篇。曾获得美国国家自然科学基金会特别创新奖（前美国总统青年奖）、CamilleDreyfusTeacher-Scholar、HowardHughesMedicalInstitute教授奖。