在特定的外部刺激下,具有变构功能的DNA分子器件可以在不同构象之间进行切换,改变其形状特征,重排空间构象甚至提升性能。近年来,适配体、三链体、G-四链体和i-motif等功能核酸已经成为刺激响应型DNA器件的变构元件,特别是它们对内源性ATP、pH和K+等刺激物特异性响应的特征使它们成为活细胞成像、细胞逻辑计算、药物靶向递送和分子医学等领域的强大工具。但利用DNA构建刺激响应型的分子器件仍有问题需要解决:（1）多个刺激物存在时,如何整合变构单元识别相关刺激,使多个刺激物之间具有相互联系?（2）如何选择合适的变构单元和潜在的应用方向设计相应的变构DNA器件?基于这些问题,本论文重点开展了以下几个方面的研究工作:（1）pH和ATP共刺激响应的变构DNA三臂结构。建立逻辑门控制的目标物传感平台使得多个刺激物之间具有一定的逻辑关系,并对已知刺激物存在时的目标进行定量分析是本研究的主要目的。于是本文将ATP适配体（ABA27）和i-motif序列整合到DNA三臂结构中,设计了一种逻辑电路调控的多刺激响应型变构DNA器件。在pH较低且ATP水平较高时,半质子化的C-C+碱基对相互穿插形成i-motif结构,同时ATP诱导其适配体折叠形成ATP-ABA27复合物,继而DNA三臂结构解组装并释放出带有toehold的反义链,从而触发对目标物的链置换反应。本文利用非变性凝胶电泳和基于2-氨基嘌呤、Cy5-BHQ2的荧光读出手段表征了整个过程,这个过程伴随着结构解组装和荧光强度变化。基于刺激响应前后的荧光强度变化,本文构建了基于AND-AND逻辑电路或NAND-INH逻辑电路调控的传感平台,并在细胞裂解液中实现了 NAND-INH逻辑电路调控的目标物定量分析。该设计为智能DNA纳米器件的构建提供了思路借鉴,基于DNA逻辑电路的生物传感器可能成为智能纳米机器的研究基础,它们可以执行多种刺激物存在时的逻辑计算并作为多功能的诊疗平台进行逻辑诊断输出。（2）活细胞溶酶体环境响应型变构DNA框架核酸。区别于大量引入外源性输入的细胞逻辑操作,设计生理环境下逻辑门控制的响应型变构DNA器件是实现活细胞逻辑操作的关键。溶酶体是重要的亚细胞器,其中ATP和H+水平对溶酶体的生理学功能起着至关重要的作用,于是本文设计了能被小窝蛋白诱导的胞吞作用递送至溶酶体的框架核酸（DNA三棱柱）,在它的三条侧边加入了富C序列,使其能够在酸性条件下折叠从而诱导三棱柱的收缩,其中一条侧边整合了由i-motif和ATP适配体序列功能化的DNA三臂结构。在低pH和ATP分子的诱导下,i-motif序列和ATP适配体形成各自的二级结构,使得DNA三臂结构解组装,同时释放一条整合了 ATP-ABA27复合物和G-四链体的信号读出链。我们通过非变性凝胶电泳、动态光散射实验和标记了 BHQ2/Cy3/Cy5的荧光体系验证了序列优化后的DNA三棱柱在不同刺激条件下的变构行为,只有当H+和ATP同时存在时,信号读出链才能释放并形成夹心结构,拉近Cy3和Cy5的距离,表现出荧光共振能量转移（FRET）特征信号,这个过程表现为一个H+和ATP作为输入的AND门。DNA三棱柱和溶酶体tracker的荧光共定位实验表明其被胞吞后进入了溶酶体。DNA三棱柱对不同浓度的ATP和不同水平的pH的响应分析显示其响应范围能覆盖溶酶体中这两种刺激物的水平。随后本文用氯喹和寡霉素分别调节溶酶体内的H+和ATP,模拟了不同的逻辑输入,实现了细胞逻辑操作。内源性物质驱动的DNA 逻辑操作和溶酶体内环境的响应识别是这个工作的亮点,这些结果有助于设计分辨细胞内源性物质异常的诊疗器件,例如一些溶酶体功能障碍引起的溶酶体碱化和ATP降低,进而实现个性化的药物递送和精准治疗。（3）K+刺激响应的双分子G-四链体诱导的二聚DNA器件用于癌细胞靶向递送。肿瘤细胞微环境中高浓度的K+（～45mM）引起了 T细胞的功能障碍,抑制了免疫反应。发展针对高K+环境的靶向递送方法有助于实现癌症精准治疗。基于转铁蛋白受体（TfR）作为同源二聚蛋白的结构基础和转胞吞的生物学功能,本文设计了一种靶向高K+环境中癌细胞表面TfR的二聚递送体系,其中K+稳定的双分子G-四链体诱导二聚适配体递送体系的形成。为了改善双分子G-四链体的稳定性,降低其在二聚组装时的多态性,我们精心设计了包含迷你发卡环的双分子G-四链体,并在其尾部添加了一些能形成平行双链的碱基,改进后的双分子G-四链体能够诱导80%以上的同源二聚体的形成。我们利用激光共聚焦显微镜和流式细胞仪表征了单体和二聚体对hela细胞的绑定能力和摄取效率,结果显示二聚体的绑定能力和摄取效率均显著高于单体,这个结论也适用于A549和MCF-7等癌细胞。此外,本文比较了脂质体lipo3000和二聚递送体系的小核酸递送能力,在6h内二聚递送体系拥有可以媲美lipo3000的递送能力,同时二聚递送体系对HEK293t具有很好的选择性,这是lipo3000所不具备的。最后装载siRNA-PLK1的二聚体系被成功地应用在hela细胞的基因沉默,免疫印迹实验验证了 PLK1蛋白的敲低。这些结果显示了 K+稳定的二聚递送体系对肿瘤微环境中癌细胞的靶向递送潜力。二聚体系结合siRNA或ASO等诊疗性的小核酸药物,对构建肿瘤微环境响应的核酸药物,提高小核酸药物的递送效率具有重要意义。