功能核酸是指除了具备传统核酸分子的遗传信息存储功能之外,还具有特异性识别以及高效催化等其他特殊功能的核酸分子,主要包括aptamers（核酸适配体）,DNAzymes（脱氧核酶）以及aptazymes（适配体酶）。它们一般通过体外筛选获得,可以特异性地识别目标分子并行使相应功能,同时具备良好的生物相容性,序列设计性,和结构稳定性,因此被广泛用作人工分子识别单元,应用于生物传感、仿生催化、生物纳米技术等领域。细胞膜表面受体作为天然分子识别单元,是细胞感知外界信号的重要传感器。细胞一般通过受体-配体之间特异性相互作用实现对外界环境变化的响应,进而激活下游信号通路,从而产生相应的行为。人为对受体进行改造实现细胞行为调控,在生物医学和基础科研领域具有重要意义。天然的受体配体对的数目有限,现代生物医学迫切需要对细胞膜表面受体赋予新的配体识别特异性,然而目前该领域的研究还处于初级阶段。传统的受体特异性改造策略需要利用基因工程对细胞膜表面受体进行遗传改造,但受制于基因改造的操作难度、复杂性和低效率。功能核酸作为人工分子识别受体,不仅可以非共价结合细胞膜表面受体,赋予其特定目标物识别特性,还可以进一步结合核酸纳米器件可编程的动态组装特性,实现受体激活调控。利用功能核酸分子工具对细胞膜表面受体进行修饰,无需对目标细胞进行任何遗传改造,便可实现受体特异性的可控调节。我们利用双功能核酸对受体进行非遗传改造,成功构建了用于识别新的正交配体的适配体嵌合受体,赋予了细胞新的配体识别特异性。双功能核酸包括配体识别模块和膜受体结合模块。配体识别模块通过aptamer及DNAzyme等功能核酸识别多种分子;膜受体结合模块通过受体特异性aptamer结合在细胞膜表面受体上。基于膜表面受体二聚诱导激活这一重要的活性调控方式,我们利用适配体嵌合受体实现了多种全新配体分子对特定细胞信号通路的诱导性激活,包括大分子、小分子以及离子,并成功对细胞运动行为进行了精准调控。通过筛选可以获得对不同靶标特异性识别的aptamer,因此我们的策略能够赋予受体广谱的新配体识别能力,从小分子到生物大分子乃至细胞,具有广泛的应用前景。本文具体研究内容如下:（1）构建生物大分子响应的细胞膜表面适配体嵌合受体用于受体信号通路激活和细胞行为调控。选用凝血酶作为模型配体分子,酪氨酸激酶受体c-Met作为模型受体。c-Met的天然配体是肝细胞生长因子（HGF）,c-Met本身不会对凝血酶产生响应。通过双功能核酸的设计,构建适配体嵌合受体,赋予了细胞识别凝血酶的能力。我们的实验证明凝血酶不仅可以被c-Met适配体嵌合受体特异性识别并结合,还能使c-Met二聚,进而c-Met发生磷酸化并激活下游信号通路。c-Met通路下游两个重要蛋白,蛋白激酶B（Akt）和信号转导及转录激活因子（STAT3）的磷酸化激活,可以引起细胞骨架蛋白actin的重排,从而使细胞发生运动行为。我们发现凝血酶可以使修饰有适配体嵌合受体的细胞发生运动行为。进一步将双功能核酸中的凝血酶aptamer替换成血小板衍生生长因子（PDGF）的aptamer,同样实现了PDGF对于c-Met信号通路的激活。因此,基于适配体嵌合受体的细胞调控体系具有普适性,为生物医学的需求提供了一种通用策略。（2）构建基于aptamer的小分子响应的适配体嵌合受体用于c-Met激活和细胞行为调控。选用ATP作为模型分子,基于双功能核酸来设计细胞膜表面DNA纳米器件用于构建适配体嵌合受体,通过DNA介导化学诱导二聚使细胞可以响应ATP。我们实验证明ATP可以通过触发细胞膜表面DNA纳米器件的动态链取代反应,引起c-Met适配体嵌合受体二聚,使c-Met发生磷酸化并激活其下游信号通路。c-Met下游通路关键蛋白,Akt和酪氨酸激酶Src在c-Met通路激活之后会发生磷酸化,诱导细胞骨架蛋白actin发生重排并产生片状伪足。我们用实验证明了ATP确实可以通过激活c-Met信号通路使细胞发生运动行为。通过搭建具有ATP浓度梯度的微流控装置,使ATP响应的适配体嵌合受体（AR）细胞内的高尔基体产生极化,细胞会朝向ATP高浓度方向发生定向迁移行为。该体系可以按需调控细胞行为,比如招募细胞到指定的部位,展现出了小分子用于细胞治疗的前景。（3）构建基于DNAzyme的小分子响应的适配体嵌合受体用于c-Met激活和细胞行为调控。以L-his（L-组氨酸,L-histidine）作为模型分子,将双功能核酸的配体识别模块设计成DNAzyme序列,构建可以响应L-his的适配体嵌合受体。我们通过实验证明了L-his可以诱导基于DNAzyme的DNA纳米器件发生链取代反应,引起c-Met磷酸化信号激活。进一步证明了L-his响应的嵌合受体（HR）修饰的细胞可以在L-his作用下产生化学趋向性和定向迁移运动,实现了L-his调控的细胞行为。将双功能核酸的L-his DNAzyme替换成Zn2+DNAzyme,同样实现了Zn2+对c-Met信号通路的激活,使Zn2+响应的嵌合受体（ZnR）修饰的细胞发生定向迁移运动行为。因此,基于DNAzyme的适配体嵌合受体的细胞调控体系具有普适性。综合上一部分报道的基于aptamer的ATP响应适配体嵌合受体调控c-Met激活体系,我们利用微流控装置构建了混合细胞体系,包括AR,HR和ZnR修饰的细胞,实现了在多正交因子输入下选择性精准调控细胞行为,为活体内复杂多细胞环境的选择性调控提供了一种有前景的方法。（4）利用DNA敏化Tb3+发光开发了一种免标记的时间分辨aptamer传感器用于蛋白检测。DNA与Tb3+结合,会大大增强Tb3+的长寿命荧光,当DNA-Tb3+复合物吸附到氧化石墨烯（GO）表面时,该荧光可以被GO有效地淬灭。目标蛋白存在的情况下,aptamer可以识别蛋白,形成蛋白/DNA复合物,使DNA-Tb3+远离GO,从而保护了DNA-Tb3+的荧光不被GO淬灭。我们选择凝血酶及其aptamer（29-mer）为模型分析物和识别元件。当凝血酶浓度在1到100 nM范围内,其浓度与aptamer-Tb3+荧光强度成良好的线性关系,检测限可达0.8 nM。由于时间分辨荧光技术可以消除非特异性的背景荧光,该aptamer传感器成功地应用到生物复杂样品中的凝血酶检测。该新颖的策略有望提供一个检测其它目标分子的通用方法。