5月8日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所嚴飛研究員的最新成果以“Cell-cycle dependent nuclear gene delivery enhances the effects of E-cadherin against tumor invasion and metastasis”為題發(fā)表于國際知名期刊Signal Transduction and Targeted Therapy。在該項工作中，研究團隊開(kāi)發(fā)了一種新的在體時(shí)空可控核內基因遞送的方法，該方法利用生物納泡（Gas vesicles, GVs）作為空化核用于攜載質(zhì)粒DNA，在細胞內吞后借助超聲誘發(fā)載基因生物納泡在胞內產(chǎn)生空化效應，可將質(zhì)粒DNA直接遞送至細胞核實(shí)現基因的轉錄和表達，鑒于超聲具有靶向聚焦的特性以及生物納泡天然的生物相容性能在細胞內長(cháng)時(shí)間保持，由此可實(shí)現基因時(shí)空可控地核內基因遞送。通過(guò)以抑制腫瘤轉移功能的E-cadherin基因作為例子，研究團隊利用開(kāi)發(fā)的胞內空化核內基因遞送方法證明了可實(shí)現不同時(shí)間維度上控制基因的遞送與表達，并能發(fā)揮抑制腫瘤侵襲和轉移的作用。利用該方法團隊比較了在不同細胞周期遞送E-cadherin基因，發(fā)現在腫瘤細胞的G2/M期控制外源基因E-cadherin的核內遞送與表達比在G1期和S期能更有效地抑制腫瘤侵襲和轉移，進(jìn)一步的分子機制研究發(fā)現Fam50a/Runx2-MMP13信號軸在這效應增強過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用。

  該工作不僅可以有效提高外源基因的轉染效率，還有望開(kāi)發(fā)成一種在體時(shí)空可控控制外源基因表達的工具，具有重要的應用前景。

  中科院深圳先進(jìn)院合成所嚴飛研究員與浙江大學(xué)附屬第一醫院蔣天安主任為論文的共同通訊作者。來(lái)自浙江大學(xué)的深圳先進(jìn)院客座學(xué)生謝麗婷為論文第一作者。

圖1 文章上線(xiàn)截圖

  近年來(lái)，基因治療被認為是除手術(shù)、放化療之外具有巨大應用潛力的新型治療方法，超聲靶向微泡爆破技術(shù)是一種新型的基因和藥物遞送技術(shù)，其原理是利用超聲造影劑微泡作為基因的載體，借助超聲局部輻照載基因微泡，誘發(fā)微泡產(chǎn)生周期性的收縮、膨脹乃至坍塌爆破，進(jìn)而產(chǎn)生微流、微射流和沖擊波等一系列空化效應，這些效應疊加作用于臨近的細胞膜，使之產(chǎn)生瞬間可修復的微小孔隙（聲致穿孔效應），溶液中或微泡爆破釋放的質(zhì)粒DNA趁機進(jìn)入細胞，從而實(shí)現基因的定點(diǎn)遞送，該方法具有靶向、定點(diǎn)、可視化基因遞送等優(yōu)勢，是實(shí)現基因靶向遞送頗具前景的方法之一。然而，傳統基于微泡超聲造影劑的超聲基因遞送策略?xún)H僅能對細胞膜進(jìn)行空化穿孔實(shí)現外源基因由胞外向胞內遞送，而無(wú)法將質(zhì)粒DNA直接遞送入細胞核內，導致超聲靶向基因轉染的效率普遍較低。針對這一問(wèn)題，嚴飛研究員團隊提出了基于生物納泡的胞內空化核內基因遞送新方法，利用生物納泡粒徑小的特點(diǎn)，通過(guò)PEI表面修飾攜載質(zhì)粒DNA后將其與細胞孵育進(jìn)入到細胞質(zhì)，再借助超聲輻照使其在細胞內產(chǎn)生空化效應，瞬時(shí)穿孔核膜直接將基因遞送入核內，有效提高了基因的轉染效率（流式檢測可達47%）。此外，利用生物納泡天然的相容性，且能在細胞內穩定存在，由此可在不同時(shí)間點(diǎn)施加超聲控制基因的核內遞送與表達，成功實(shí)現了外源基因在體時(shí)空可控的基因表達。

圖2 超聲可視化胞內空化遞送EGFP基因在時(shí)間維度上控制外源基因的表達

  研究團隊利用該系統遞送具有抑制腫瘤轉移功能的E-cadherin基因，發(fā)現在C6腦膠質(zhì)瘤細胞內吞載E-cadherin的納泡后，移植到老鼠大腦分別等待0 h (t₀),12 h (t₁₂)或24 h (t₂₄)進(jìn)行超聲輻照誘導生物納泡胞內空化進(jìn)行基因的核內遞送，均能有效抑制腫瘤細胞的遷移，并能延長(cháng)荷瘤鼠的生存期。為了探索超聲胞內空化核內基因遞送在細胞周期內的應用，研究團隊建立了兩種不同的細胞周期運行模式，分別將腫瘤細胞同步化停留在不同細胞周期后進(jìn)行超聲基因轉染和同步化細胞撤掉細胞周期阻滯劑進(jìn)入到不同細胞周期后接受超聲基因轉染（腫瘤細胞先行內吞載基因納泡）。實(shí)驗結果證實(shí)開(kāi)發(fā)的核內基因遞送方法在兩種細胞周期運行模式中的G1期、S期和G2/M期均具有相似的基因轉染效率，但在抑制腫瘤細胞侵襲和轉移的功能上卻有所不同，表現為在G2/M期行超聲核內基因遞送比G1期和S期具有更好的抗腫瘤侵襲和轉移的效果。

圖3 超聲胞內空化在不同時(shí)間遞送E-cadherin有效抑制腦膠質(zhì)瘤細胞的遷移

圖4 超聲胞內空化在不同細胞周期遞送EGFP的轉染效率以及遞送E-cadherin的腫瘤遷移抑制效果

  為了進(jìn)一步挖掘超聲胞內空化遞送E-cadherin在G2/M期具有更好抑制腫瘤轉移的機制，研究團隊通過(guò)轉錄組測序、qPCR、WB和CO-IP等分子實(shí)驗，發(fā)現在腫瘤細胞G2/M期過(guò)表達E-cadherin會(huì )導致Fam50a基因的下調，進(jìn)而減少Fam50a/Runx2的相互作用及其轉錄激活功能，最終導致MMP13的下調，揭示了超聲胞內空化核內遞送E-cadherin基因在細胞周期G2/M期發(fā)揮更好抑制腫瘤轉移的機制。

圖5 E-cadherin在G2/M期的過(guò)表達更有效地抑制了Fam50a/Runx2-MMP13信號傳導

  該工作獲得了國家科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金面上項目、中科院先導B項目以及深圳市科創(chuàng )委和深圳合成生物學(xué)創(chuàng )新研究院等項目的支持。

  Liting Xie, Jieqiong Wang, Liming Song, Tianan Jiang and Fei Yan. Cell-cycle dependent nuclear gene delivery enhances the effects of E-cadherin against tumor invasion and metastasis. Signal Transduction and Targeted Therapy, 2023; 8(1):182. doi: 10.1038/s41392-023-01398-4.