新型可控核酸凝聚试剂的设计、机理及体外活性研究

The key steps of non-viral vector mediated gene transfection focus on the design and synthesis of effective DNA condensing agents. DNA condensation make it cross the membrane barrier and keep from the degradation of nuclease. The organic molecules with good condensation-release function are the key to design safe and efficient non-viral gene carrier. In current project, we design and synthesize a series of simple and accessible polyamine controllable DNA condensation agents, analyze in real-time the process and shape of interaction with DNA by gel electrophoresis, atomic force microscopy and circular dichroism spectra, capture switching conditions and key factors of condensation-release and evaluate cytotoxity, cellular uptake and transfection efficiency. On the basis of preliminary experimental results, we attempt to further improve the structures of DNA controllable condensation agents, and reveal the structure-activity relationship between the agents and DNA. 2D NMR and single-molecule optical tweezers, magnetic tweezers are used to clarify and validate the mechanism of condensation and explore the regulation of condensation-release. The studies not only enrich the contents of DNA condensation agents in theory and provide new ideas and directions for further expansion of the polyamine agents, but also lay the foundation for non-viral vectors of small molecules.

设计、合成有效的DNA凝聚剂是非病毒载体介导基因转染的关键步骤，DNA的凝聚使其跨越膜屏障、免受核酸酶分解成为可能。具有良好凝聚及释放作用的有机分子是设计安全、高效的非病毒基因载体的关键。本课题设计合成了一系列从简单到复杂的多胺类可控核酸凝聚试剂，采用凝胶电泳、原子力显微镜、圆二色光谱等方法对凝聚试剂与核酸相互作用的过程及形态进行实时跟踪分析，捕捉凝聚-释放的转变条件及关键影响因素，阐明凝聚分子结构与单分子凝聚或多分子聚集作用的构效关系，并进行细胞毒性、细胞摄入能力及转染效率研究。在前期实验结果的基础上进一步完善核酸可控凝聚试剂的结构改造，利用二维核磁共振技术结合计算机辅助设计阐明和验证凝聚过程作用机制，探索调控凝聚释放的有效方法，从理论上丰富了核酸凝聚剂的内容，为进一步拓展多胺类核酸凝聚剂提供了新的思路和方向。

通过化学合成的方法构建功能性小分子作为核酸凝聚试剂用以调控核酸的凝聚及凝聚行为的可控释放是一项具有重要科学意义及应用前景的工作。首先，以环状多胺，线性多胺，刚性平面多胺，以及双核多胺分子作为模型化合物，通过不同官能团及不同位置的侧链修饰，包括乙基、乙酰基（邻位羰基）、α-羟乙基（邻位羟基）、丙酮基（间位羰基）、β-羟基丙基（间位羟基）等，构成一系列新型小分子核酸凝聚试剂；利用凝胶电泳、原子力显微镜、圆二色谱和Zeta电位等多种手段，分析了分子结构、体系离子强度和金属离子等条件对可逆凝聚过程的影响，推测了温度和离子强度双重调控的可逆凝聚过程的作用机制，揭示出核酸凝聚和聚集的形成过程及形成条件的差异。其次，在上述研究基础上，以类碱基氮杂环分子为研究对象构建出自组装胶束，并对所形成的稳定体系进行包括组成、比例、长度、手性等结构特征分析，并对所形成胶束进行热力学和动力学分析，探讨可能的自组装机制及分子结构特性，这不仅拓展了核酸凝聚试剂的研究思路，更为进一步的核酸系统的构建提供简单有效的理论依据。