作为遗传信息载体的核酸分子，基于碱基互补配对原则，可用于精确组装具有特定尺寸和形貌的纳米结构。核酸纳米结构具有优异的结构可设计性和生物相容性，已被广泛应用于生物医药研发领域。随着核酸操控技术的不断发展，基于核酸化学生物学研究策略，经核酸化学修饰与可控自组装的核酸纳米结构能够高效装载各类药物，实现靶向递送和可控释放，获得智能化的精准治疗效果，为疾病的诊断和治疗提供新思路。
前期工作中，国家纳米科学中心丁宝全研究员团队在基于核酸化学修饰与可控自组装的基因治疗领域已获得一系列进展（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 19893; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 1853; J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 19032; Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 14224; Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 15486）。聚焦这一研究领域，该团队前期利用精确组装的化学修饰型核酸结构可控装载基因治疗药物，最终实现了在活体水平上的精准基因治疗，为开发新颖的疾病治疗模式提供了新策略。
在核酸自组装方面，核酸纳米结构通常是以单链核酸之间的碱基互补配对自组装而成。然而，广泛存在的具有双链结构的功能核酸却难以被用作结构基元进行可控自组装。在前期研究的基础上，该团队与动物所王皓毅研究员课题组合作，在基于二价基因编辑系统折叠组装双链核酸用于基因表达与调控研究方面取得重要进展。研究结果发现，通过构建二价催化失活的基因编辑蛋白（dCas），并借助基因编辑系统对用作双链核酸框架的功能基因进行折叠压缩，可以构建出尺寸和形貌可控的核酸蛋白纳米复合结构。通过在融合表达的二价dCas蛋白中间的柔性肽链中引入刺激响应性元件，实现对功能基因的高效折叠和响应性释放。该研究基于基因编辑系统对双链核酸所具有的序列特意性的精准识别能力，成功构建了一系列具有类染色体功能的核酸蛋白纳米复合结构。该类复合结构能够在紧密折叠状态下保护基因遗传信息，随后在接收到刺激信号后响应性释放双链基因，最终智能且高效地实现基因表达与调控，为基因治疗提供新的研究策略。
构建二价基因编辑系统用于精准折叠和可控释放功能基因实现基因表达与调控
该研究成果于2022年3月31日以Genetically Encoded Double-Stranded DNA-Based Nanostructure Folded by a Covalently Bivalent CRISPR/dCas System为题发表于J. Am. Chem. Soc.上（DOI: 10.1021/jacs.2c01760）。国家纳米科学中心博士毕业生武田田和动物所博士研究生曹源伟为本文的共同第一作者，动物所王皓毅研究员、国家纳米科学中心刘建兵副研究员和丁宝全研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和中科院战略性先导科技专项及前沿科学重点研究计划等项目的支持。上述研究的核心技术已经申请中国发明专利。
