細胞凋亡是保守且不可逆的程序性細胞死亡，在生物體内受到嚴格的調控。細胞凋亡的紊亂與多種疾病有着密切的關系，比如與過度凋亡相關的神經退行性疾病和移植排斥，與細胞凋亡不足相關的自身免疫失調和癌症。因此，闡釋清楚細胞凋亡激活機制并監測細胞凋亡進程将會極大地促進細胞生物學及相關生物醫學研究的發展。細胞凋亡的激活涉及到一個錯綜複雜的信号網絡，該網絡包含了各種盤根錯節的細胞凋亡信号通路以及組成這些信号通路的生物分子。如今，通過經典的分子生物學技術已經揭示了其中許多的凋亡信号通路。然而，細胞凋亡相關研究仍然迫切需要研發具有可操作性和高效率的技術和方法，不僅如此，因為現有的方法通常需要分别靶向兩個或兩個以上的信号分子來定義一條凋亡信号通路，并需要使用與目标分子相關的類似物如激動劑或抑制劑，因此現有的方法往往不便于實際應用，而對于信号通路的系統性研究常常無能為力。
圖1 DNA納米器件用于細胞網絡分析示意圖
李根喜教授課題組長期從事生物分子工程及生物醫學應用方面的研究工作，近期與上海大學的朱小立教授等合作，設計了一種雙響應型的DNA納米器件，它可以對活細胞中的凋亡信号通路進行有效的成像。在這項研究中，他們提出了一個新的理念：從對信号網絡中單個信号分子的獨立研究轉為上下遊信号分子的捆綁式研究，即由單個獨立的“點”轉為直接分析由“點”組成的“線”。因為細胞凋亡信号網絡實際上是由類似于“線”的凋亡信号通路所構成，因此這一理念有助于對信号通路進行系統性的研究。為此，他們通過在金納米顆粒(AuNPs)表面組裝了一層精心設計的Y型DNA (Y-DNA)構建了DNA納米器件，當該DNA納米器件通過葉酸-葉酸受體介導的途徑進入細胞質後，隻有包含上遊錳超氧化物歧化酶(MnSOD) mRNA和下遊細胞色素c (Cyt c) 的凋亡信号通路存在時，DNA納米器件才能執行“與”邏輯門操作，将Y-DNA從AuNPs表面拆除，然後輸出熒光信号。
圖2 DNA納米器件的構建原理圖和胞内成像信号通路的示意圖
因此，該DNA納米器件通過“與”邏輯門的操作同時表征上下遊兩個相關的信号分子，可以實現對細胞凋亡的信号通路進行直接的原位分析。與針對單個特定分子的熒光成像方法相比，基于該DNA納米器件的方法有助于對信号網絡進行原位系統研究。此外，該納米器件的可編程特性也顯示了對其他信号通路進行分析的潛力。他們所設計的DNA納米器件在細胞凋亡動态監測、細胞分析模型研究、重大疾病機制探索、藥物研發等方面具有廣泛的應用前景。相關工作以《A Dual-Responsive DNA Nanodevice for the Available Imaging of an Apoptotic Signaling Pathway in Situ》為題發表在國際學術期刊ACS Nano (2019，doi.org/10.1021/acsnano.9b05082)，我校博士研究生石海同學為文章的第一作者，李根喜教授和朱小立教授為共同通訊作者。研究工作得到了國家自然科學基金的支持。