DNA纳米技术揭示复杂的蛋白质相互作用，为癌症诊断提供信息

由邵惠林副教授和Brian Lim副教授领导的新加坡国立大学健康创新与技术研究所（iHealthtech）的一个研究团队开发了一种首创的技术，利用DNA条形码绘制细胞中多种蛋白质的相互作用

这项名为TETRIS的技术可以明确地识别和量化大型蛋白质组装中的多个相互作用伴侣。通过捕捉肿瘤细胞内蛋白质相互作用的复杂层次，该技术揭示了驱动疾病进展的详细分子机制。这使得诊断更加精确，可以在短短几个小时内对癌症进行准确的亚型，并识别出疾病的侵袭性形式，这在以前是不可能的

此外，TETRIS提供了重要的见解，医生可以根据这些见解为个体患者量身定制治疗策略。例如，识别有助于癌症生长的特定蛋白质及其相互作用可以导致改善患者结果的靶向治疗

该团队的研究结果于2024年6月19日发表在《自然生物医学工程》上。该研究的第一作者是刘宇博士和诺亚·桑达博士。两人都是新加坡国立大学iHealthtech的研究员

蛋白质几乎负责生命的所有基本过程。了解这些生命的组成部分如何相互作用是生物学和医学的一个关键方面

事实上，蛋白质之间存在广泛的相互作用，以驱动健康和疾病中的重要功能和活动——破译这些相互作用不仅可以更好地预测细胞行为，而且具有广泛的临床应用，从改进疾病诊断到开发更有效的治疗策略

金标准方法——酵母双杂交检测——需要基因操作，仅限于成对二元相互作用，因此不适合临床样本。另一种常见的方法——基于质谱的蛋白质组学——由于大量的样品处理，经常忽略弱相互作用，在评估中保持二元性

总而言之，这些方法无法捕捉到蛋白质相互作用的全谱，特别是多个蛋白质相互作用形成大型功能组件的高阶相互作用；高阶蛋白质相互作用的变化通常与更具侵袭性的癌症类型有关

新加坡国立大学的研究人员转向DNA纳米技术寻求解决方案

“DNA是一种可编程材料，可用于编码丰富的信息，同时具有可预测的相互作用，这使我们能够在纳米尺度上构建具有精细空间控制的复杂架构，”领导TETRIS设计的邵副教授说。她也来自新加坡国立大学设计与工程学院生物医学工程系

利用DNA纳米技术的优势，TETRIS利用混合分子结构作为智能编码器，直接在患者样本中绘制蛋白质相互作用图。每个编码器都携带一个目标识别抗体和一个模板DNA条形码

在实际操作中，编码器不仅与相互作用的蛋白质结合，而且其条形码与相邻单元的条形码双向融合。由此产生的条形码捕获了所有信息——分子身份和空间关系——并可用于解码广泛的蛋白质相互作用

与目前的方法不同，TETRIS测量成对和高阶蛋白质相互作用，从而提供复杂蛋白质相互作用组的全面图景

“将蛋白质视为科学会议上的代表。每位代表都会看到一个带有唯一条形码的姓名标签。当他们相互作用或‘握手’时，TETRIS会通过将条形码连接在一起来捕捉这些相互作用，”领导开发用于处理TETRIS收集的数据的算法的副教授Lim说。

新加坡国立大学计算机学院计算机科学系

TETRIS的一个突出特点是它能够直接在临床样本中对蛋白质相互作用进行现场编码和解码。这项技术已经在人类癌症组织的活组织检查中进行了测试，从中它准确地诊断了癌症亚型，并揭示了与癌症侵袭性相关的高阶蛋白质相互作用

TETRIS提供了疾病分子基础的更详细和准确的图像，这对癌症诊断和治疗是一个福音。高阶蛋白质相互作用的变化是侵袭性癌症的标志，可以更容易地检测到，从而做出更明智、更个性化的临床决策

此外，TETRIS的设计考虑了可扩展性和适应性。该技术可以处理大量样本，并使用现有的实验室基础设施快速生成结果，使其能够以最小的中断集成到常规临床工作流程中

例如，该技术可用于医生办公室，通过细针穿刺（一种更安全、微创的活检）获得的样本可以快速分析，为治疗决策提供信息

新加坡国立大学的研究人员计划将TETRIS的应用扩展到其他类型的癌症和神经系统疾病，这可能为各种疾病的新型诊断工具和治疗干预铺平道路

该团队已经为这项技术申请了两项专利，并希望将这项创新商业化 More information: Yu Liu et al, Bidirectional linkage of DNA barcodes for the multiplexed mapping of higher-order protein interactions in cells, Nature Biomedical Engineering (2024). DOI: 10.1038/s41551-024-01225-3

Journal information: Nature Biomedical Engineering