Construction of Controllable Lipid-DNA Complex for Study in Membrane Biology †

doi:10.7503/cjcu20200067

Abstract

Abstract:

This review briefly summarized recent progress of lipid-DNA complexes, including their design, construction, and unique features. We highlighted their applications on living cell membranes, including dynamic membrane analysis, nanopores, live cell organization and interaction regulation, and drug delivery. We also summarized challenges in this field. We suggest that by using these lipid-DNA conjugates, cell membrane functions at the molecular level can be better understood and manipulated, which may facilitate the development of cell imaging, theranostics, construction of nanodevices and protocells.

Key words: Lipid-DNA complex, Membrane anchoring, Membrane biology

CLC Number:

Q599

TrendMD:

ZHANG Luhao, CAO Shuting, LIU Jiangbo, ZUO Xiaolei, WANG Lihua, FAN Chunhai, LI Jiang. Construction of Controllable Lipid-DNA Complex for Study in Membrane Biology ^†[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(6): 1151.

Figures/Tables 5

References 107

[1]	Jiang Y., Lee A., Chen J., Ruta V., Cadene M., Chait B. T., MacKinnon R., Nature, 2003, 423(6935), 33—41
[2]	Simon M. I., Strathmann M. P., Gautam N., Science, 1991, 252(5007), 802—808
[3]	Schlessinger J., Cell, 2000, 103(2), 211—225
[4]	Eggeling C., Ringemann C., Medda R., Schwarzmann G., Sandhoff K., Polyakova S., Belov V. N., Hein B., von Middendorff C., Schonle A., Hell S. W., Nature, 2009, 457(7233), 1159—1162
[5]	Van Meer G., Voelker D. R., Feigenson G. W., Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 2008, 9(2), 112—124
[6]	Sezgin E., Levental I., Mayor S., Eggeling C., Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 2017, 18(6), 361—374
[7]	Ishitani R., Nureki O., Nameki N., Okada N., Nishimura S., Yokoyama S., Cell, 2003, 113(3), 383—394
[8]	Dai J. B., Gu P. L., Feng L. Y., Li Y., Peng H. Z., Li Q. N., Wang L. H., Fan C. H. , Sci. Sin. Chim. 2019, 49(9), 1137—1148
	( 代江兵, 谷佩霖, 冯灵玉, 李宇, 彭红珍, 李晴暖, 王丽华, 樊春海 . 中国科学: 化学, 2019, 49(9) 1137—1148)
[9]	Zhang Z. Q., Wang S. S., Zhang Z. C., Ma J., Wang X. F., Zhou T., Wang F., Zhang G. D. , Chem. J. Chinese Universities 2019, 40(12), 2465—2470
	( 张志庆, 汪珊珊, 张子辰, 马杰, 王秀凤, 周亭, 王芳, 张国栋 . 高等学校化学学报, 2019, 40(12) 2465—2470)
[10]	Samanta A., Medintz I. L., Nanoscale, 2016, 8(17), 9037—9095
[11]	Zhao Y., Guo L. J., Dai J. B., Li Q., Li D., Wang L. H., Chin. J. Anal. Chem., 2017, (7), 1078—1087
	( 赵彦, 郭琳洁, 代江兵, 李茜, 李迪, 王丽华 . 分析化学, 2017, (7), 1078—1087)
[12]	Edwards G., Davis P., Savva S., Addiction, 2003, 98(11), 1471—1481
[13]	Rietveld A., Simons K., Biochim. Biophys. Acta, 1998, 1376(3), 467—479
[14]	Taylor M. J., Husain K., Gartner Z. J., Mayor S., Vale R. D., Cell, 2017, 169(1), 108—119
[15]	Zhao W., Schafer S., Choi J., Yamanaka Y. J., Lombardi M. L., Bose S., Carlson A. L., Phillips J. A., Teo W., Droujinine I. A., Cui C. H., Jain R. K., Lammerding J., Love J. C., Lin C. P., Sarkar D., Karnik R., Karp J. M., Nat. Nanotechnol., 2011, 6(8), 524—531
[16]	Tokunaga T., Namiki S., Yamada K., Imaishi T., Nonaka H., Hirose K., Sando S., J. Am. Chem. Soc., 2012, 134(23), 9561—9564
[17]	Seifert A., Gopfrich K., Burns J. R., Fertig N., Keyser U. F., Howorka S., ACS Nano, 2015, 9(2), 1117—1126
[18]	Ohvo-Rekila H., Ramstedt B., Leppimaki P., Slotte J. P., Prog. Lipid Res., 2002, 41(1), 66—97
[19]	Sun L., Gao Y., Xu Y., Chao J., Liu H., Wang L., Li D., Fan C., J. Am. Chem. Soc., 2017, 139(48), 17525—17532
[20]	Cockroft S. L., Chu J., Amorin M., Ghadiri M. R., J. Am. Chem. Soc., 2008, 130(3), 818—820
[21]	Hosse R. J., Rothe A., Power B. E., Protein Sci., 2006, 15(1), 14—27
[22]	Dietz H., Douglas S. M., Shih W. M., Science, 2009, 325(5941), 725—730
[23]	Douglas S. M., Dietz H., Liedl T., Hogberg B., Graf F., Shih W. M., Nature, 2009, 459(7245), 414—418
[24]	Douglas S. M., Marblestone A. H., Teerapittayanon S., Vazquez A., Church G. M., Shih W. M., Nucleic Acids Res., 2009, 37(15), 5001—5006
[25]	Burns J. R., Al-Juffali N., Janes S. M., Howorka S., Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53(46), 12466—12470
[26]	Burns J. R., Stulz E., Howorka S., Nano Lett., 2013, 13(6), 2351—2356
[27]	Liu H., Zhu Z., Kang H., Wu Y., Sefan K., Tan W., Chemistry, 2010, 16(12), 3791—3797
[28]	Raouane M., Desmaele D., Urbinati G., Massaad-Massade L., Couvreur P., Bioconjugate Chem., 2012, 23(6), 1091—1104
[29]	Patwa A., Gissot A., Bestel I., Barthelemy P., Chem. Soc. Rev., 2011, 40(12), 5844—5854
[30]	Howorka S., Science, 2016, 352(6288), 890—891
[31]	Pages J. M., James C. E., Winterhalter M., Nat. Rev. Microbiol., 2008, 6(12), 893—903
[32]	Majd S., Yusko E. C., Billeh Y. N., Macrae M. X., Yang J., Mayer M., Curr. Opin. Biotechnol., 2010, 21(4), 439—476
[33]	Movileanu L., Trends Biotechnol., 2009, 27(6), 333—341
[34]	Bayley H., Cremer P. S., Nature, 2001, 413(6852), 226—230
[35]	Clarke J., Wu H. C., Jayasinghe L., Patel A., Reid S., Bayley H., Nat. Nanotechnol., 2009, 4(4), 265—270
[36]	Langecker M., Arnaut V., Martin T. G., List J., Renner S., Mayer M., Dietz H., Simmel F. C., Science, 2012, 338(6109), 932—936
[37]	Madsen M., Gothelf K. V., Chem. Rev., 2019, 119(10), 6384—6458
[38]	Song L., Hobaugh M. R., Shustak C., Cheley S., Bayley H., Gouaux J. E., Science, 1996, 274(5294), 1859—1866
[39]	Burns J. R., Seifert A., Fertig N., Howorka S., Nat. Nanotechnol., 2016, 11(2), 152—156
[40]	Burns J. R., Gopfrich K., Wood J. W., Thacker V. V., Stulz E., Keyser U. F., Howorka S., Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52(46), 12069—12072
[41]	Birkholz O., Burns J. R., Richter C. P., Psathaki O. E., Howorka S., Piehler J., Nat. Commun., 2018, 9(1), 1521—1528 doi: 10.1038/s41467-018-02905-w URL
[42]	Gopfrich K., Zettl T., Meijering A. E., Hernandez-Ainsa S., Kocabey S., Liedl T., Keyser U. F., Nano Lett., 2015, 15(5), 3134—3138
[43]	Gopfrich K., Li C. Y., Mames I., Bhamidimarri S. P., Ricci M., Yoo J., Mames A., Ohmann A., Winterhalter M., Stulz E., Aksimentiev A., Keyser U. F., Nano Lett., 2016, 16(7), 4665—4669
[44]	Howorka S., Nat. Nanotechnol., 2017, 12(7), 619—630
[45]	Stoddart D., Ayub M., Hoefler L., Raychaudhuri P., Klingelhoefer J. W., Maglia G., Heron A., Bayley H., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2014, 111(7), 2425—2430
[46]	Rothemund P. W. K., Nature, 2006, 440(7082), 297—302
[47]	Chen Y. J., Groves B., Muscat R. A., Seelig G., Nat. Nanotechnol., 2015, 10(9), 748—760
[48]	Han D., Pal S., Nangreave J., Deng Z., Liu Y., Yan H., Science, 2011, 332(6027), 342—346
[49]	Zhang F., Jiang S., Wu S., Li Y., Mao C., Liu Y., Yan H., Nat. Nanotechnol., 2015, 10(9), 779—780
[50]	Benson E., Mohammed A., Gardell J., Masich S., Czeizler E., Orponen P., Hogberg B., Nature, 2015, 523(7561), 441—442 doi: 10.1038/nature14586 URL
[51]	Maingi V., Lelimousin M., Howorka S., Sansom M. S. P., ACS Nano, 2015, 9(11), 11209—11217
[52]	Yoo J., Aksimentiev A., J. Phys. Chem. Lett., 2015, 6(23), 4680—4687
[53]	Ackermann D., Famulok M., Nucleic Acids Res., 2013, 41(8), 4729—4739
[54]	Edwardson T. G. W., Carneiro K. M. M., McLaughlin C. K., Serpell C. J., Sleiman H. F., Nat. Chem., 2013, 5(10), 868—875
[55]	Todhunter M. E., Jee N. Y., Hughes A. J., Coyle M. C., Cerchiari A., Farlow J., Garbe J. C., LaBarge M. A., Desai T. A., Gartner Z. J., Nat. Methods, 2015, 12(10), 975—981
[56]	Huh D., Hamilton G. A., Ingber D. E., Trends Cell Biol., 2011, 21(12), 745—754
[57]	Kachouie N. N., Du Y., Bae H., Khabiry M., Ahari A. F., Zamanian B., Fukuda J., Khademhosseini A., Organogenesis, 2010, 6(4), 234—244
[58]	Gartner Z. J., Bertozzi C. R., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2009, 106(12), 4606—4610
[59]	Selden N. S., Todhunter M. E., Jee N. Y., Liu J. S., Broaders K. E., Gartner Z. J., J. Am. Chem. Soc., 2012, 134(2), 765—768
[60]	Teramura Y., Chen H., Kawamoto T., Iwata H., Biomaterials, 2010, 31(8), 2229—2235 doi: 10.1016/j.biomaterials.2009.11.098 URL
[61]	Teramura Y., Biomaterials, 2015, 48, 119—128
[62]	Todhunter M. E., Weber R. J., Farlow J., Jee N. Y., Cerchiari A. E., Gartner Z. J., Curr. Protoc. Chem. Biol., 2016, 8(3), 147—178 doi: 10.1002/9780470559277.2016.8.issue-3 URL
[63]	Xiong X., Liu H., Zhao Z., Altman M. B., Lopez-Colon D., Yang C. J., Chang L. J., Liu C., Tan W., Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52(5), 1472—1476
[64]	Li J., Xun K., Pei K., Liu X., Peng X., Du Y., Qiu L., Tan W., J. Am. Chem. Soc., 2019, 141(45), 18013—18020 doi: 10.1021/jacs.9b04725 URL
[65]	Qiu L., Zhang T., Jiang J., Wu C., Zhu G., You M., Chen X., Zhang L., Cui C., Yu R., Tan W., J. Am. Chem. Soc., 2014, 136(38), 13090—13093 doi: 10.1021/ja5047389 URL
[66]	Feng G., Luo X., Lu X., Xie S., Deng L., Kang W., He F., Zhang J., Lei C., Lin B., Huang Y., Nie Z., Yao S., Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58(20), 6590—6594
[67]	Jin C., He J., Zou J., Xuan W., Fu T., Wang R., Tan W., Nat. Commun., 2019, 10, 2704—2713 doi: 10.1038/s41467-019-10639-6 URL
[68]	Simons K., Toomre D., Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 2000, 1(1), 31—39
[69]	Ohmann A., Li C. Y., Maffeo C., Al Nahas K., Baumann K. N., Gopfrich K., Yoo J., Keyser U. F., Aksimentiev A., Nat. Commun., 2018, 9, 2425—2434
[70]	Chung I., Akita R., Vandlen R., Toomre D., Schlessinger J., Mellman I., Nature, 2010, 464(7289), 783—787
[71]	Groves J. T., Parthasarathy R., Forstner M. B., Annu. Rev. Biomed. Eng., 2008, 10, 311—338
[72]	Bian X., Zhang Z., Xiong Q., De Camilli P., Lin C., Nat. Chem. Biol., 2019, 15(8), 830—837
[73]	You M., Lyu Y., Han D., Qiu L., Liu Q., Chen T., Sam Wu C., Peng L., Zhang L., Bao G., Tan W., Nat. Nanotechnol., 2017, 12(5), 453—459
[74]	Kabouridis P. S., Mol. Membr. Biol., 2006, 23(1), 49—57
[75]	Lin C. L., Li J., Zhou Y., Sun Y. H., Wang L. H., Hu J., Fan C. H. , Nucl. Tech. 2016, 40(2), 21—27
	( 林承列, 李江, 周宜, 孙艳红, 王丽华, 胡钧, 樊春海 . 核技术, 2016, 40(2) 21—27)
[76]	Czogalla A., Kauert D. J., Franquelim H. G., Uzunova V., Zhang Y., Seidel R., Schwille P., Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54(22), 6501—6505
[77]	Zhang Z., Yang Y., Pincet F., Llaguno M. C., Lin C., Nat. Chem., 2017, 9(7), 653—659
[78]	Wu N., Chen F., Zhao Y., Yu X., Wei J., Zhao Y., Langmuir, 2018, 34(49), 14721—14730
[79]	Sun Z., Costell M., Fassler R., Nat. Cell Biol., 2019, 21(1), 25—31
[80]	Polacheck W. J., Chen C. S., Nat. Methods, 2016, 13(5), 415—423
[81]	Pirone D. M., Liu W. F., Ruiz S. A., Gao L., Raghavan S., Lemmon C. A., Romer L. H., Chen C. S., J. Cell Biol., 2006, 174(2), 277—288
[82]	Zhou J., Kim H. Y., Wang J. H., Davidson L. A., Development, 2010, 137(16), 2785—2794
[83]	Beningo K. A., Wang Y. L., Trends Cell Biol., 2002, 12(2), 79—84
[84]	Delvoye P., Wiliquet P., Leveque J. L., Nusgens B. V., Lapiere C. M., J. Invest. Dermatol., 1991, 97(5), 898—902
[85]	Zimmermann W. H., Fink C., Kralisch D., Remmers U., Weil J., Eschenhagen T., Biotechnol. Bioeng., 2000, 68(1), 106—114
[86]	Tan J. L., Tien J., Pirone D. M., Gray D. S., Bhadriraju K., Chen C. S., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2003, 100(4), 1484—1489 doi: 10.1073/pnas.0235407100 URL
[87]	Legant W. R., Choi C. K., Miller J. S., Shao L., Gao L., Betzig E., Chen C. S., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2013, 110(3), 881—886 doi: 10.1073/pnas.1207997110 URL
[88]	Chowdhury F., Li I. T., Ngo T. T., Leslie B. J., Kim B. C., Sokoloski J. E., Weiland E., Wang X., Chemla Y. R., Lohman T. M., Ha T., Nano Lett., 2016, 16(6), 3892—3897
[89]	Zhang Y., Ge C., Zhu C., Salaita K., Nat. Commun., 2014, 5, 5167—5173 doi: 10.1038/ncomms6167 URL
[90]	Blakely B. L., Dumelin C. E., Trappmann B., McGregor L. M., Choi C. K., Anthony P. C., Duesterberg V. K., Baker B. M., Block S. M., Liu D. R., Chen C. S., Nat. Methods, 2014, 11(12), 1229—1232 doi: 10.1038/NMETH.3145 URL
[91]	Tambe D. T., Hardin C. C., Angelini T. E., Rajendran K., Park C. Y., Serra-Picamal X., Zhou E. H., Zaman M. H., Butler J. P., Weitz D. A., Fredberg J. J., Trepat X., Nat. Mater., 2011, 10(6), 469—475
[92]	Tambe D. T., Croutelle U., Trepat X., Park C. Y., Kim J. H., Millet E., Butler J. P., Fredberg J. J., PLoS One, 2013, 8(2), e55172
[93]	Conway D. E., Breckenridge M. T., Hinde E., Gratton E., Chen C. S., Schwartz M. A., Curr. Biol., 2013, 23(11), 1024—1030
[94]	Borghi N., Sorokina M., Shcherbakova O. G., Weis W. I., Pruitt B. L., Nelson W. J., Dunn A. R., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2012, 109(31), 12568—12573
[95]	Zhao B., O'Brien C., Mudiyanselage A., Li N., Bagheri Y., Wu R., Sun Y., You M., J. Am. Chem. Soc., 2017, 139(50), 18182—18185
[96]	Chang Y., Liu Z., Zhang Y., Galior K., Yang J., Salaita K., J. Am. Chem. Soc., 2016, 138(9), 2901—2904
[97]	Salaita K., Nair P. M., Petit R. S., Neve R. M., Das D., Gray J. W., Groves J. T., Science, 2010, 327(5971), 1380—1385
[98]	Zhao J. Q., Yan C. X., Chen Z., Yang N., Feng X., Zhao Y. P., Chen L. , Chem. J. Chinese Universities 2018, 39(7), 1592—1601
	( 赵军强, 闫彩霞, 陈泽, 杨宁, 冯霞, 赵义平, 陈莉 . 高等学校化学学报, 2018, 39(7) 1592—1601)
[99]	Liu D., Yang F., Xiong F., Gu N., Theranostics, 2016, 6(9), 1306—1323
[100]	Jeong J. H., Park T. G., Bioconjugate Chem., 2001, 12(6), 917—923
[101]	Butcher N. J., Mortimer G. M., Minchin R. F., Nat. Nanotechnol., 2016, 11(4), 310—311
[102]	Ding K., Alemdaroglu F. E., Borsch M., Berger R., Herrmann A., Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46(7), 1172—1175
[103]	Liu H., Kwong B., Irvine D. J., Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50(31), 7052—7055
[104]	Liu H., Moynihan K. D., Zheng Y., Szeto G. L., Li A. V., Huang B., Van Egeren D. S., Park C., Irvine D. J., Nature, 2014, 507(7493), 519—522
[105]	Perrault S. D., Shih W. M., ACS Nano, 2014, 8(5), 5132—5140
[106]	Sun L., Gao Y., Wang Y., Wei Q., Shi J., Chen N., Li D., Fan C., Chem. Sci., 2018, 9(27), 5967—5975
[107]	Bagheri Y., Chedid S., Shafiei F., Zhao B., You M., Chem. Sci., 2019, 10(48), 11030—11040