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细胞是生命体的基本结构单元和功能单元，复杂而精巧的内部结构是细胞实现自我调控和生命活动高效进行的结构基础。认识细胞构筑形式与功能之间的关系对理解细胞运行机制具有重要启示。本论文通过合成系列DNA自组装纳米结构，并结合无细胞蛋白合成(Cell-free protein synthesis, CFPS)技术，系统研究了基因邻近效应和基因线路区室化结构对无细胞基因表达的影响，探究了镁离子在CFPS系统冻干过程中的调控作用。本论文包括5章内容：
第一章，概述了细胞系统的特征和细胞内遗传物质DNA的组织形式，介绍了CFPS系统的发展、组成、优势及应用，综述了DNA材料的优势、构建单元及组装方法，进而提出了本论文的主要研究内容和创新点。
第二章，利用聚合酶链式反应(PCR)组装技术，将三个转录单元整合在一个三枝状DNA结构上，构建了枝状基因结构，拉近了转录单元之间的空间物理距离，并利用CFPS系统研究了基因邻近效应对基因转录翻译的影响。研究表明，在低基因浓度和低RNA聚合酶浓度下，枝状基因提高了基因的表达效率。此外，在不同程度的拥挤环境中，枝状基因始终保持相对较高的表达水平。
第三章，利用PCR技术在两种功能上具有关联性的基因(调控蛋白基因和报告蛋白基因)一端各组装了一个双巯基修饰的Y型DNA支架，并通过金硫键将两种基因共同锚定在金纳米颗粒表面，在纳米界面上构建了基因线路区室化结构。在CFPS系统中，区室化结构将调控蛋白基因和报告蛋白基因之间的距离拉近在纳米级，使合成的调控蛋白主要分布在基因区室区域，可快速穿梭到邻近的报告基因上，从而促进级联基因表达。结果显示，基因线路区室化结构提高了报告蛋白的产量和初始表达速率，缩短了级联基因表达的反馈时间。另外，该基因线路区室化效应具有基因浓度依赖性：基因线路区室化结构在相对较低基因浓度下更能发挥空间区室效应，显著提高级联基因表达效率。
第四章，研究了Mg2+对冻干CFPS系统活性的保护机制，并提出了CFPS系统的两个Mg2+调控作用：Mg2+(Ⅰ)与酶分子的变构位点结合，防止冻干时酶与底物分子直接结合引起的CFPS系统失活；Mg2+(Ⅱ)参与激活CFPS系统的催化反应。
第五章，对本论文的内容进行了总结与展望。本论文利用DNA自组装纳米结构，揭示了CFPS系统中基因构筑形式的生物学意义，为深入认识细胞内基因构筑与功能之间的关系提供了重要启示；其次，探究了Mg2+对冻干CFPS系统的调控作用，为理解Mg2+在生物系统中的作用提供了启示。
第一章，概述了细胞系统的特征和细胞内遗传物质DNA的组织形式，介绍了CFPS系统的发展、组成、优势及应用，综述了DNA材料的优势、构建单元及组装方法，进而提出了本论文的主要研究内容和创新点。
第二章，利用聚合酶链式反应(PCR)组装技术，将三个转录单元整合在一个三枝状DNA结构上，构建了枝状基因结构，拉近了转录单元之间的空间物理距离，并利用CFPS系统研究了基因邻近效应对基因转录翻译的影响。研究表明，在低基因浓度和低RNA聚合酶浓度下，枝状基因提高了基因的表达效率。此外，在不同程度的拥挤环境中，枝状基因始终保持相对较高的表达水平。
第三章，利用PCR技术在两种功能上具有关联性的基因(调控蛋白基因和报告蛋白基因)一端各组装了一个双巯基修饰的Y型DNA支架，并通过金硫键将两种基因共同锚定在金纳米颗粒表面，在纳米界面上构建了基因线路区室化结构。在CFPS系统中，区室化结构将调控蛋白基因和报告蛋白基因之间的距离拉近在纳米级，使合成的调控蛋白主要分布在基因区室区域，可快速穿梭到邻近的报告基因上，从而促进级联基因表达。结果显示，基因线路区室化结构提高了报告蛋白的产量和初始表达速率，缩短了级联基因表达的反馈时间。另外，该基因线路区室化效应具有基因浓度依赖性：基因线路区室化结构在相对较低基因浓度下更能发挥空间区室效应，显著提高级联基因表达效率。
第四章，研究了Mg2+对冻干CFPS系统活性的保护机制，并提出了CFPS系统的两个Mg2+调控作用：Mg2+(Ⅰ)与酶分子的变构位点结合，防止冻干时酶与底物分子直接结合引起的CFPS系统失活；Mg2+(Ⅱ)参与激活CFPS系统的催化反应。
第五章，对本论文的内容进行了总结与展望。本论文利用DNA自组装纳米结构，揭示了CFPS系统中基因构筑形式的生物学意义，为深入认识细胞内基因构筑与功能之间的关系提供了重要启示；其次，探究了Mg2+对冻干CFPS系统的调控作用，为理解Mg2+在生物系统中的作用提供了启示。