湖南大学聂舟教授团队Nat Chem Bio | DNA功能化人工机械力受体用于细胞机械信号转导调控

【引言】

细胞不断地感知周围环境的信号，并通过受体介导的信号传导机制作出反应，触发不同的细胞行为。合成受体工程已被广泛用于编程受体，使其能够对用户定义的输入（如小分子、配体和光）产生响应。通过对细胞受体的感知和响应模块进行重新组合，可以实现对细胞功能的精确控制，这一技术在生物学研究和治疗应用中的重要性日益凸显。

在众多信号输入中，机械力作为细胞通讯的一种关键物理线索，对维持细胞的稳态、促进发育过程以及理解疾病机制具有至关重要的作用。

然而，尽管机械生物学在科学探索中扮演着至关重要的角色，但开发出能够响应机械力并定制细胞信号转导的合成受体，仍然是一个充满挑战的研究领域。目前对合成机械力受体的研究主要集中在通过基因工程对天然机械力受体进行改造，以定制用于组织定向形成或免疫治疗的力输入-输出信号程序。

然而，通用的机械力受体工程方法仍然面临一些阻碍：可用的天然机械力受体数量有限、对天然机械感应机制的理解尚不全面、以及无法对更广泛的非机械敏感受体进行重新编程，以赋予它们特定的机械响应能力。因此，非常有必要开发一种独立于天然机械感应机制的全新的机械力受体设计策略。

【成果简介】

近日，本课题组开发了一个从头设计的人工机械力受体（AMR）平台，旨在对原本不响应机械力的细胞表面受体进行重新编程，使其能够感知用户定义的细胞间拉力。

AMR是一种高度模块化的DNA-蛋白质嵌合平台，包含一种通用的机械感知和传递DNA（GMD）纳米器件。该器件能够作为即插即用的分子工具，在不进行基因工程改造的情况下，对天然细胞表面受体进行功能化，以实现力诱导的信号传递。AMR通过一个变构DNA机械开关感知细胞间的拉伸力，该开关具有可调节的皮牛（pN）范围的力响应阈值，能够触发力驱动的动态DNA组装，以操纵RTK的二聚化并激活细胞内信号。

通过交换力接收配体， AMR能够灵敏地感知细胞粘附分子（整合素、E-钙粘蛋白）或膜蛋白内吞（CI-M6PR）介导的细胞力。不仅如此，AMR还允许重新编程不同的非机械响应性细胞表面受体（c-Met或FGFR1），以定制机械生物学功能，例如粘附介导的神经干细胞维持。AMR展现了一种有别于天然蛋白质机械力受体的新型力信号转导机制，为机械生物学研究和生物医学应用提供了一个有前景的化学生物学工具包。

该成果以“DNA-functionalized artificial mechanoreceptor for de novo force-responsive signaling”为题发表于《Nature Chemical Biology》上，文章第一作者为博士研究生杨思慧。

【图文解读】

图1. 从头设计的人工机械力受体（AMR）平台示意图

AMR重新编程非机械响应性受体酪氨酸激酶（RTKs），使之具有力响应特性。

图2. AMR在外力作用下的力响应性能表征

首先通过原子力显微镜（AFM）施加外部牵引力，在二维界面上验证了GMD的力响应性能。随后，进一步探究了GMD在活细胞膜上的响应外部牵引力的能力。实验结果表明GMD能够感知外部张力，诱导变构转换，启动基于F-TSDR的力传递过程。

图3. 人工机械力受体在细胞力作用下的力响应性能

在自然界中，细胞骨架重组产生机械力，这些力量通过细胞与细胞外基质的黏附以及细胞间的连接，传递至周围的细胞外基质和其他邻近细胞。首先探讨了在细胞黏附过程中，GMD感知和传递整合素介导的细胞牵引力的能力。此外，在多细胞环境中，细胞-细胞间连接作为传递细胞间力量和调节细胞间交流的物理桥梁，也在发育和平衡中扮演着重要角色。因此，进一步评估了GMD响应细胞与细胞间作用力的能力。研究结果表明，GMD可以作为一个人工机械传感器，选择性地响应细胞与细胞间连接产生的拉力。

图4. 人工机械力受体从头开始定制细胞机械信号转导

利用适配体将GMD以非基因工程的方式整合到天然RTK上，构建了一种嵌合型AMR，用于感知和传递细胞间拉力，操纵RTK二聚并激活细胞内信号。

图5. AMR的精确可调性与多功能性

为了进一步提升AMR的性能，通过对DNA力学开关的合理设计，实现了AMR的力敏感性在pN水平上的精确编程。随后，充分利用了AMR平台出色的模块化特性，对各种细胞产生的力输入和指定的细胞信号输出模块进行了灵活的配置，扩展了AMR的应用范围。AMR能够感知由细胞粘附分子（整合素和E-钙粘蛋白）或膜蛋白内吞（CI-M6PR）介导的各种细胞拉力，并通过定制信号输出模块来调节不同的非机械敏感性细胞表面受体。

图6. 利用AMR实现机械生物学功能的重编程

通过AMR介导的FGFR1信号通路重编程，在无需外源生长因子的情况下，通过细胞间的粘附力维持NSCs的干细胞特性。

【总结与展望】

综上所述，本课题组利用DNA纳米技术开发了一种非遗传改造的人工机械力受体，以实现全新的机械转导。这个模块化平台允许各种细胞产生的力输入与指定的RTK信号输出进行多功能和灵活的重新耦合。AMR配备了一个可调节的模块，允许在生物相关的pN范围内对力的敏感性进行微调。基于AMR的RTK工程设计提供了重新编程机械生物学功能的潜力，这将有助于推动组织工程和伤口愈合等领域的发展。AMR策略不仅为深入理解机械生物学提供了新的视角，也为未来基于力的细胞疗法在再生医学领域的发展提供了一个宝贵的工具箱。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41589-024-01572-x