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大孔Cu-MOF催化RNA正交转化应用于基因编辑
摘要
武汉大学邓鹤翔、田沺、余锂镭教授联合上海科技大学江怀东教授团队发表的研究J. Am. Chem. Soc. 2026, DOI: 10.1021/jacs.6c03260中，构建了具有分子级催化孔道的系列Cu-MOFs。通过整合氧化还原稳定的Cu(I)簇与尺寸匹配的介孔，选定的MOFs在无外部还原剂的活体系统中催化了高效、定量的RNA转化。小角X射线散射和同步辐射软X射线显微镜证实了孔化学对底物定位的调控及细胞内MOF的完整性。胺功能化框架MOF-248-NH2实现了细胞内CRISPR/Cas9基因编辑的sgRNA控制，并在犬模型中成功治疗心脏疾病，确立了MOFs作为可编程生物正交催化剂的潜力。
研究背景
1. 行业问题：
生物过程的高精度调节是现代治疗的关键。MOFs具有分子级孔道和有序金属催化位点，但在活细胞中尚未被验证为生物正交催化剂，主要存在两大痛点：孔几何和环境的工程化难以实现生物分子识别的高精度；催化过程依赖外部还原剂，难以维持MOF晶格完整性。
2. 现有方案：
学者已利用小分子及其晶体集合体（如HOFs）作为活细胞中的生物正交催化剂。MOFs也被广泛用于药物和生物分子递送，但将其直接作为生物正交催化剂在活体中进行精准化学转化的研究尚属空白。
3. 本文创新：
提出“网状孔工程”策略，系统组装具有不同Cu簇几何、孔径和化学环境的MOF库。利用稳定的Cu(I)簇与匹配介孔摆脱外部还原剂依赖；开发胺功能化MOF-248-NH2，首次将MOF生物正交催化应用于CRISPR/Cas9基因编辑及犬心脏疾病治疗。
实验部分
1. MOF库构建与筛选：
采用网状设计，组装了包含单核、双核、三核和四核Cu簇的MOF库。合成了单核Cu(INA)2（1.3 nm）、双核Cu2I2(INA)4（2.2 nm）及四核Cu4I4(INA)4（6.0 nm）等结构，筛选出最适合RNA转化的介孔MOFs。
2. 活细胞内RNA转化：
在无外部还原剂生理条件下，将筛选出的Cu-MOFs引入活细胞。结果表明，具有稳定Cu(I)簇的MOFs能高效催化RNA键断裂和形成，实现定量转化，且晶格保持完整。
3. 基因编辑与动物治疗：
合成胺功能化MOF-248-NH2，用于控制sgRNA激活。在细胞水平实现CRISPR/Cas9基因编辑调控，并在犬类模型中成功改善心脏疾病症状。 实验突破：实现活细胞内无外部还原剂的RNA转化，首次将MOF应用于大型动物基因编辑与疾病治疗。
分析测试
1. 结构与孔径表征：
精准合成14种铜基MOF材料，涵盖单铜、双铜、三铜、四铜四类团簇结构，匹配6种拓扑结构，孔径区间1.3–6.0 nm；对优选的MOF-248进行官能团改性，制备-NH₂、-CH₃、-OCH₃等5种衍生物，同时将所有MOF制备为50 nm左右纳米颗粒，适配细胞摄取与活体实验。
2. 小角X射线散射（SAXS）：
SAXS揭示孔道化学环境对底物空间分布的影响。特定孔化学使保护RNA优先靠近催化中心，促进产物释放，驱动RNA完全转化。
3. 同步辐射软X射线显微镜：
对细胞内MOF原位可视化。结果显示MOF在细胞内高度富集且反应后保持完整晶体形貌，证实了其在复杂细胞内环境中的高稳定性。 测试揭示：网状孔工程精准调控孔径与化学环境，孔化学决定底物空间定位，Cu(I)簇确保细胞内晶格完整性。
机理分析
1. 催化机理：
核心在于稳定Cu(I)簇与匹配介孔的协同。Cu(I)簇提供无需外加还原剂的活性位点；介孔限域效应和孔化学精确控制底物与催化中心相对位置，降低活化能，实现高效RNA转化。
2. 基因编辑机理：
MOF-248-NH2的胺基功能化改变孔道静电作用，特异性结合保护sgRNA。在特定刺激下sgRNA可控释放并激活CRISPR/Cas9系统，实现时空分辨的基因编辑。
总结
1. 本文提出网状孔工程策略，成功构建系列Cu-MOFs。通过整合稳定Cu(I)簇与匹配介孔，实现活细胞内无外部还原剂的高效生物正交RNA转化。结合同步辐射等表征，明确了孔化学对底物定位的调控机制。
2. 开发的MOF-248-NH2成功应用于CRISPR/Cas9基因编辑及犬心脏疾病治疗，确立了MOFs作为可编程生物正交催化剂的重要地位。
文章标题：Metal–Organic Framework as a Bioorthogonal Catalyst for Gene Editing
作者：Ziyi Chen, Xingyu Liu, Wanyue Sang, Lei Li, Jingcheng Xiao, Gaoli Hu, Liping Zhou, Qianqian Qi, Chen Peng, Jiaxing Huang, Wei Xiong, Zikun Li, Nuo Chen, Enci Zhang, Lilei Yu*, Huaidong Jiang*, Tian Tian*, Xiang Zhou, Hexiang Deng*
DOI：10.1021/jacs.6c03260
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c03260
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