研究背景：
内质网（ER）应激在多种癌症中异常激活，通过未折叠蛋白反应（UPR）帮助肿瘤细胞适应不利微环境并抵抗治疗。IRE1-XBP1轴是UPR的核心分支，其核酸内切酶活性在ER应激时被特异性激活。然而，现有基因调控工具（如DNAzyme）缺乏区分ER应激肿瘤细胞与正常细胞的能力，导致非特异性毒副作用。因此，亟需开发一种能响应ER应激内源信号、实现细胞选择性基因调控的新策略。
研究内容：
国家纳米科学中心李乐乐团队受IRE1-XBP1信号轴天然机制的启发，将XBP1u mRNA的miniXBP1茎环结构模拟序列（IRE1可切割共有位点）嫁接到经典10-23 DNAzyme的左侧识别臂上，构建了IRE1门控DNAzyme（IR-Dz）。该体系在基础IRE1活性下保持催化惰性，仅在ER应激诱导的IRE1激活后被切割并释放活性DNAzyme，从而实现对靶mRNA的条件性切割。研究首先通过体外实验鉴定了IRE1切割所需的最小RNA序列基序，验证了IR-Dz的IRE1依赖性激活、底物结合恢复和mRNA切割功能；随后在ER应激高表达的三阴性乳腺癌MDA-MB-231细胞中证实IR-Dz可选择性沉默c-MYC，降低IRE1和XBP1剪接水平，缓解ER应激，同时不影响低ER应激的正常乳腺上皮MCF-10A细胞；进一步将IR-Dz重定向至IRE1 mRNA，实现了肿瘤细胞中IRE1的自我沉默和ER应激的放大；最后将该策略拓展至反义寡核苷酸（ASO）系统，验证了平台的通用性。该工作以“Bioinspired Molecular Engineering of IRE1-Gated DNAzymes for Self-Adaptive Bidirectional Modulation of ER Stress”为题，发表在Angewandte Chemie International Edition期刊上。
文章亮点：
1. 首次建立IRE1响应型DNAzyme平台：利用ER应激标志物IRE1的内切核糖核酸酶活性作为内源性触发器，突破了现有酶响应型DNAzyme仅局限于APE1、I-SceI和去甲基化酶等的狭窄范围，为ER应激相关疾病的精准干预提供了全新工具。
2. 实现肿瘤细胞选择性基因调控：IR-Dz在ER应激高的MDA-MB-231癌细胞中被特异性激活（荧光强度比突变对照高3.1倍），而在正常MCF-10A细胞中保持惰性；肿瘤/正常细胞的基因敲低比值约为3.2倍，显著优于组成型活性DNAzyme。
3. ER应激的自适应双向调节：通过更换靶mRNA实现双向调控——靶向c-MYC可打破c-MYC-IRE1-XBP1s正反馈环路，缓解ER应激；靶向IRE1自身则可放大ER应激并激活CHOP介导的凋亡通路，为根据疾病阶段灵活选择治疗策略提供了可能。
4. 模块化设计具有广泛通用性：IRE1可切割基序可便捷地嫁接至ASO、核酶或CRISPR效应器等多种核酸工具上，研究以Bcl-2靶向的IR-ASO验证了该策略在条件性基因沉默中的普适性。
5. 体内抗肿瘤效果显著：IR-Dz/P在MDA-MB-231异种移植瘤模型中显著抑制肿瘤生长，而突变对照无此效果，证明了IRE1门控策略在体内的有效性和安全性。
图1：通过PAGE和荧光动力学实验鉴定IRE1切割基序，证实含4个RNA核苷酸的茎环（5'-4R-HP）可被IRE1高效切割，而全DNA茎环或共有序列突变体不能被切割，且切割严格依赖IRE1 RNase活性（4μ8C抑制剂可阻断）。
图2：体外验证IR-Dz的IRE1依赖性激活（FRET信号恢复）、底物结合能力恢复（Cy5/BHQ2标记实验）和c-MYC mRNA切割功能（PAGE显示切割条带、荧光光谱定量），并证实突变对照（mIR-Dz）和催化核心突变体（IR-mDz）无活性。
图3：在活细胞中验证IR-Dz的ER应激选择性激活，显示IR-Dz/P在MDA-MB-231细胞中荧光强度比mIR-Dz/P高3.1倍， IRE1抑制剂4μ8C可降低57%信号，且ER应激诱导剂Tm处理的MCF-10A细胞可恢复IR-Dz激活，证明其严格依赖内源性IRE1活性。
图4：证实了IR-Dz/P在MDA-MB-231细胞中选择性敲低c-MYC蛋白（降低47%）和mRNA，而Dz/P在癌细胞和正常细胞中均有效；IR-Dz/P显著降低IRE1转录本和XBP1剪接比，缓解ER应激，且在体内异种移植瘤中显著抑制肿瘤生长。
图5：展示了IR-Dz重定向至IRE1 mRNA后的"自我沉默"效应，IRE1蛋白降低47%，BiP和CHOP上调，显著降低MDA-MB-231细胞活力但不影响MCF-10A，实现ER应激的选择性放大和促凋亡效应。
图6：将IRE1门控策略拓展至ASO系统（IR-ASO），通过FRET和PAGE验证IRE1依赖性Bcl-2 mRNA降解，并在MDA- MB-231细胞中实现Bcl-2蛋白的特异性敲低（降低46%），证明平台的模块化通用性。
总结与展望：
作者通过生物启发的分子工程策略，首次将疾病相关的IRE1内切核糖核酸酶活性转化为DNAzyme的条件性激活开关，建立了IRE1门控DNAzyme（IR-Dz）平台，实现了ER应激微环境中肿瘤细胞选择性、双向可调的基因调控。该设计巧妙利用XBP1u mRNA的茎环结构作为"分子锁"，在健康细胞中保持DNAzyme惰性，仅在ER应激恶性细胞中被IRE1切割激活，从而精准调控c-MYC或IRE1等靶基因，分别实现ER应激的缓解或放大。这一策略不仅克服了传统DNAzyme组成型活性的脱靶毒性问题，还为ER应激相关疾病提供了可编程、条件依赖的基因调控新范式。展望未来，该IRE1响应模块可进一步拓展至CRISPR-Cas系统、核酶或mRNA疫苗等更多核酸治疗模态，用于癌症、糖尿病及神经退行性疾病等ER应激相关疾病的精准诊疗。结合纳米递送系统的优化和临床前安全性评价，IRE1门控核酸工具有望推动下一代"智能"基因治疗药物的发展，实现对病理微环境的实时感知与按需干预。
Bioinspired Molecular Engineering of IRE1-Gated DNAzymes for Self-Adaptive Bidirectional Modulation of ER Stress
Chuangui Sheng, Jian Zhao, Nan Liu, Yuliang Zhao, Lele Li*
Cite this by DOI: 10.1002/anie.2970755
文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.2970755
