细胞外基质和细胞间的相互作用对细胞命运、器官发生和机体发育起着重要的调控作用，研究这些调控机制是干细胞疗法和组织工程等领域的关键问题。但由于天然细胞外基质中多种因素的复杂作用，准确剖析单一因素对细胞行为的调控作用是困难的。近年来，人们通过体外构建细胞外基质类似物，如水凝胶，来实现对细胞外基质信号的精准操控。现有的大部份水凝胶体系，通常通过调节其固含量和化学组成等来改变水凝胶的力学性质，但材料的化学组成和网络拓扑结构往往也会随之变化，难以实现单变量调控。因此，如何构建单变量力学信号调控的水凝胶体系是目前研究的重要挑战之一。
近日，清华大学化学系刘冬生教授、首都医科大学附属北京天坛医院神经外科桂松柏教授和国家纳米中心杨雨荷研究员课题组合作，基于DNA分子的可设计性，利用DNA及其镜像异构体发展了单变量调控水凝胶力学性质的策略，用于精细研究神经祖细胞在三维环境中的命运决定机制。这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society，文章的第一作者为清华大学化学系博士研究生周碧妮和杨勃。
首先，作者利用DNA双链结构的刚性构建了具有全刚性分子网络的超分子水凝胶体系，基于“动力学互锁”的分子机制（J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 19017; CCS Chem., 2023, 5, 434），通过调换碱基位置改变DNA序列连续性，实现了在不改变水凝胶网络拓扑结构和化学组成的同时调控其弹性模量（图1）。
图1. 具有单变量力学信号调控的DNA水凝胶的设计和制备。
然而DNA作为天然大分子，在细胞培养过程中可能被降解。为此，作者将水凝胶中的天然D-DNA替换为其镜像异构体L-DNA避免了降解对力学性能的影响（Angew. Chem. Int. Ed., 2022, 61, e202202520），结合上述力学调控策略，成功构建了可单变量调控力学性质的水凝胶细胞三维培养体系（图2）。
图2. 细胞成像及单细胞转录测序技术分析神经祖细胞在DNA水凝胶中的分化行为。
之后，作者将具有不同弹性模量的D-DNA和L-DNA水凝胶用于神经祖细胞三维培养中。利用单细胞转录组测序技术、CytoTRACE分析和拟时序分析（图2），作者发现在具有单变量力学性质调控的L-DNA水凝胶中，刚度的变化并未对神经祖细胞的早期分化行为产生明显的影响。而在可降解的D-DNA水凝胶中，神经祖细胞的分化方向显著不同于L-DNA水凝胶中的结果。
进一步通过细胞三维成像和CellphoneDB分析神经祖细胞在DNA水凝胶中的细胞间相互作用，作者发现相比L-DNA水凝胶，在可降解的D-DNA水凝胶中细胞-细胞的相互作用对数更多（图3）。最后，通过分化轨迹分析和通路富集分析，作者分析D-DNA水凝胶降解导致的基质重塑和细胞间相互作用增强可能促进了细胞维持干性和响应外部力学信号刺激，而具有生物稳定性的纯L-DNA超分子水凝胶可认为是生物惰性的细胞三维培养体系。
图3. DNA水凝胶的降解性表征及细胞-细胞相互作用分析。
图4. 分化轨迹分析和通路富集分析
综上，该工作发现单独的水凝胶弹性模量变化并不能影响神经祖细胞的分化方向，而水凝胶的降解引起的细胞聚集会影响细胞命运。该工作的策略和发现有望推动基于数字聚合物的宏观体相材料的定向设计及其再生医学应用的发展。
图5. 神经祖细胞在DNA水凝胶中的分化机制示意图
Effects of Univariate Stiffness and Degradation of DNA Hydrogels on the Transcriptomics of Neural Progenitor Cells
Bini Zhou, Bo Yang, Qian Liu, Lu Jin, Yu Shao, Taoyang Yuan, Ya-nan Zhang, Chao Wang, Ziwei Shi, Xin Li, Yufan Pan, Ning Qiao, Jiang-Fei Xu, Yuhe Renee Yang*, Yuanchen Dong, Lijin Xu, Songbai Gui*, and Dongsheng Liu*
J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: 10.1021/jacs.2c13373
研究团队简介
刘冬生教授，1993年本科毕业于中国科学技术大学高分子系。近年来致力于高分子化学与物理相关研究，包括超分子水凝胶、超分子聚合、两亲自组装等领域，以通讯作者在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Mater. 等学术刊物上发表SCI论文100余篇。2007年获得国家杰出青年基金，2011年成为英国皇家化学会会士，2013年担任科技部重大基础研究专项首席科学家，2015年成为教育部长江特聘教授，2016年入选中组部领军人才，2019年成为基金委创新研究群体学术带头人，同年入选中国化学会首批会士。目前担任中国化学会高分子委员会秘书长，《高分子学报》、《高等化学学报》以及Elsevier旗下《Polymer》杂志副主编。
https://www.x-mol.com/university/faculty/12013
桂松柏，教授，主任医师，博士研究生导师，首都医科大学附属北京天坛医院神经外科肿瘤三病区主任。中国医师协会神经外科分会神经内镜专业委员会副主任委员、北京医学会神经外科分会内镜学组组长。对于各种颅脑肿瘤以及脑室脑池系统疾病的诊断和显微镜、内镜手术治疗具有丰富的临床经验，尤其在内镜颅底微创外科（内镜经鼻切除垂体瘤、颅咽管瘤、脊索瘤、鞍结节脑膜瘤）以及内镜脑室、脑池疾病微创外科手术领域达到国际先进水平。
https://www.x-mol.com/university/faculty/206010
杨雨荷研究员，2011年毕业于清华大学化学系获学士学位，师从刘冬生教授，毕业设计被选为清华大学本科优秀毕业论文；2016年5月在美国亚利桑那州立大学化学系获博士学位，师从Hao Yan教授,，期间开发了DNA纳米结构为模版的多酶体系受到广泛关注。其后在斯克里普斯研究所结构和计算生物学中心从事博后研究，合作者Andrew Ward教授，期间在HIV和流感病毒冷冻电镜结构研究中取得突破性进展。2021年11月回国加入国家纳米科学中心。课题组主要从事以生物纳米技术为基础的疫苗设计和以结构生物学为基础的免疫分析相关研究，与清华大学、斯克里普斯研究所、亚利桑那州立大学等国内外院所保持长期紧密的合作关系。