细胞凋亡是保守且不可逆的程序性细胞死亡，在生物体内受到严格的调控。细胞凋亡的紊乱与多种疾病有着密切的关系，比如与过度凋亡相关的神经退行性疾病和移植排斥，与细胞凋亡不足相关的自身免疫失调和癌症。因此，阐释清楚细胞凋亡激活机制并监测细胞凋亡进程将会极大地促进细胞生物学及相关生物医学研究的发展。细胞凋亡的激活涉及到一个错综复杂的信号网络，该网络包含了各种盘根错节的细胞凋亡信号通路以及组成这些信号通路的生物分子。如今，通过经典的分子生物学技术已经揭示了其中许多的凋亡信号通路。然而，细胞凋亡相关研究仍然迫切需要研发具有可操作性和高效率的技术和方法，不仅如此，因为现有的方法通常需要分别靶向两个或两个以上的信号分子来定义一条凋亡信号通路，并需要使用与目标分子相关的类似物如激动剂或抑制剂，因此现有的方法往往不便于实际应用，而对于信号通路的系统性研究常常无能为力。
图1 DNA纳米器件用于细胞网络分析示意图
李根喜教授课题组长期从事生物分子工程及生物医学应用方面的研究工作，近期与上海大学的朱小立教授等合作，设计了一种双响应型的DNA纳米器件，它可以对活细胞中的凋亡信号通路进行有效的成像。在这项研究中，他们提出了一个新的理念：从对信号网络中单个信号分子的独立研究转为上下游信号分子的捆绑式研究，即由单个独立的“点”转为直接分析由“点”组成的“线”。因为细胞凋亡信号网络实际上是由类似于“线”的凋亡信号通路所构成，因此这一理念有助于对信号通路进行系统性的研究。为此，他们通过在金纳米颗粒(AuNPs)表面组装了一层精心设计的Y型DNA (Y-DNA)构建了DNA纳米器件，当该DNA纳米器件通过叶酸-叶酸受体介导的途径进入细胞质后，只有包含上游锰超氧化物歧化酶(MnSOD) mRNA和下游细胞色素c (Cyt c) 的凋亡信号通路存在时，DNA纳米器件才能执行“与”逻辑门操作，将Y-DNA从AuNPs表面拆除，然后输出荧光信号。
图2 DNA纳米器件的构建原理图和胞内成像信号通路的示意图
因此，该DNA纳米器件通过“与”逻辑门的操作同时表征上下游两个相关的信号分子，可以实现对细胞凋亡的信号通路进行直接的原位分析。与针对单个特定分子的荧光成像方法相比，基于该DNA纳米器件的方法有助于对信号网络进行原位系统研究。此外，该纳米器件的可编程特性也显示了对其他信号通路进行分析的潜力。他们所设计的DNA纳米器件在细胞凋亡动态监测、细胞分析模型研究、重大疾病机制探索、药物研发等方面具有广泛的应用前景。相关工作以《A Dual-Responsive DNA Nanodevice for the Available Imaging of an Apoptotic Signaling Pathway in Situ》为题发表在国际学术期刊ACS Nano (2019，doi.org/10.1021/acsnano.9b05082)，我校博士研究生石海同学为文章的第一作者，李根喜教授和朱小立教授为共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金的支持。