作为遗传信息的载体，核酸分子已经被成功发展为基因治疗药物。基于碱基互补配对原则，核酸不仅可以编码功能基因，同时还可以精确自组装形成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，已被广泛应用于药物递送等生物医药研发领域。其中，DNA折纸结构是通过长序列DNA脚手架链和多条序列不同的DNA订书钉链精确自组装而成。然而，DNA折纸结构中的长序列DNA脚手架链通常采用固定序列，并与订书钉链组装形成多位点的长双链，没有被直接赋予编码功能蛋白的能力。利用基因编码的DNA脚手架序列构建成DNA折纸结构用于高效的组织靶向和跨膜表达，将有望为基因治疗开辟新的道路。
前期工作中，国家纳米科学中心丁宝全研究员和刘建兵副研究员（中科院青促会第11批会员）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. 2022, 144, 6575; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 1853; J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 19032; 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。在实现对短序列基因治疗药物自身的化学修饰和可控自组装之后，如何进一步获得长序列功能基因的自组装结构并用于活体精准基因治疗研究就尤为重要。
在前期研究的基础上，该团队在构建长序列抑癌基因编码的DNA折纸用于基因治疗方面取得重要进展。研究结果发现，功能基因中两条互补的核酸单链（S-ssDNA和AS-ssDNA）可以直接被相应的订书钉链折叠形成DNA折纸单体结构（S-DO和AS-DO），最终经二者共组装可以构建出基因编码的DNA折纸（G-DO）。通过在抑癌基因p53编码的DNA折纸结构的表面定点修饰上脂质分子，实现高效原位的脂质生长，形成自身可以靶向递送的基因编码的DNA折纸（Gp53-DO@lipid-FA）。该类功能化DNA折纸结构在表面极低比例的脂质分子的辅助下内化进入细胞后，能够被高效转录形成靶标mRNA，并显著上调活体p53蛋白的表达水平，最终成功抑制肿瘤的生长。该研究基于基因编码的DNA折纸和原位脂质生长策略，极大地降低了脂质的浓度，提高了对脂质分子的利用效率，从而显著增强了载体的安全性。这种方法所折叠递送的基因不会像病毒载体那样有基因长度的限制，同时由于有DNA折纸模板的存在，脂质组分可以有更多的选择，而不受限于传统脂质体的组分和浓度配方，为活体精准基因治疗提供新的研究思路。
图：构建基因编码和原位脂质生长的DNA折纸实现活体水平的精准基因治疗
上述研究成果于2023年4月18日以“Genetically Encoded DNA Origami for Gene Therapy In Vivo”为题发表在《美国化学会志》J. Am. Chem. Soc.上（DOI: 10.1021/jacs.3c02756）。博士生武晓慧、杨昌平和特别研究助理王洪为本文的共同第一作者，国家纳米科学中心刘建兵副研究员和丁宝全研究员为共同通讯作者。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中科院青年创新促进会等项目的支持。上述研究的核心技术已经申请中国发明专利。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c02756
