半合成生物发光核酸探针用于活体内金属离子比率型成像

核酸探针具有可程序化设计、生物相容性高、目标物范围广、灵敏度高、特异性好等优点，在生物医学、环境监测等领域得到广泛应用。然而，大多数现有的DNA探针依赖于荧光作为输出信号，其应用于复杂的生物体系如血液或活体组织时，将受到自发荧光和散射光的干扰，导致明显的背景信号，从而降低探针的检测灵敏度。

近日，湖南大学的张晓兵教授（点击查看介绍）和美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Yi Lu教授（点击查看介绍）合作，以现有的Nanoluciferase-HaloTag融合蛋白为基础，通过模拟算对其进行定向突变，获得了可与DNA探针进行高效正交偶联的融合蛋白突变体（cpHNLuc），并以此构建生物发光核酸探针（bioluminescent nucleic acid sensors，bioLUNAs）用于活体内金属离子的比率型成像。

原始的Nanoluciferase-HaloTag融合蛋白（cpHNLuc₀）与DNA探针偶联的效率极低。通过计算机模拟，发现cpHNLuc₀融合蛋白中的DNA标记位点存在着很大的位阻效应以及丰富的负电荷，使得DNA探针难以靠近。因此，通过对特定的氨基酸进行突变，降低其表面负电荷可有效提高DNA探针的偶联效率。

通过对定向突变得到的一系列cpHNLuc突变体进行性质考察，最终筛选出的cpHNLuc₄与DNA探针的正交偶联效率高达90%以上，并且该探针能与cpHNLuc₄发生高效的生物发光能量转移，可用于构建生物发光核酸探针。

最终，该融合蛋白突变体与DNAzyme探针结合，以此开发出的生物发光DNAzyme探针被用于小鼠外源性锌离子的成像，此外该探针被证明可用于雄性小鼠前列腺中锌离子外流的动态监测，以此区分正常前列腺和癌变的前列腺。

相关论文发表于Angew. Chem. Int. Ed.，文章第一作者是湖南大学的博士后/副研究员熊梦仪和德克萨斯大学奥斯汀分校的博士后吴宇婷。

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A Semisynthetic Bioluminescence Sensor for Ratiometric Imaging of Metal Ions In Vivo Using DNAzymes Conjugated to An Engineered Nano-Luciferase

Mengyi Xiong, Yuting Wu, Gezhi Kong, Whitney Lewis, Zhenglin Yang, Hanxiao Zhang, Li Xu, Ying Liu, Qin Liu, Xuhua Zhao, Xiao-Bing Zhang, Yi Lu

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202308086

张晓兵教授简介

张晓兵，湖南大学教授、化学化工学院院长、化学生物传感与计量学国家重点实验室副主任。长江学者特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者、国家“万人计划”科技创新领军人才、国家百千万人才工程入选者、中国化学会会士，英国皇家化学会会士（FRSC）。以第一完成人身份获2020年国家自然科学二等奖、2018年教育部自然科学一等奖及2018年湖南省自然科学一等奖，入选爱思唯尔2017-2021年中国高被引学者。2010年至今主持包括国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重大项目课题等项目10余项。

致力于新型光学分子探针的设计与合成及其在生物分析中的应用研究，以通讯作者发表SCI期刊论文200多篇，包括Nat. Biomed. Eng., PNAS, Nat., Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., CCS Chem.等40余篇。

https://www.x-mol.com/groups/zhang_xiaobing 

Yi Lu教授简介

陆艺，1986年获得北京大学化学系学士学位，1992年获得美国加州大学洛杉矶分校(UCLA）博士学位。后在美国加州理工学院(Caltech)美国科学院院士Harry B. Gray小组从事博士后研究。曾任美国伊利诺伊大学-香槟分校(UIUC)生物化学系，生物工程系和材料科学与工程系终身教授。现任美国德克萨斯大学-奥斯汀分校化学系Richard J. V. Johnson - Welch Regents Chair professor。

研究领域包括a)非天然金属蛋白在可再生能源和制药催化与工程中的应用; b）DNA酶的基础研究以及它们在环境监测，食品安全，医学诊断和治疗的研发和应用; c）生物纳米材料可控形态及其在成像和医学应用的指导组装。在Nature，Nature子刊、Science、PNAS 、JACS、 Angew. Chem. Int. Ed. 等学术刊物发表文章330多篇，论文他引超过20,000次，在2015-2018连续四年被汤森路透列为高被引用科学家。获得的奖励包括英国皇家学会的应用化学无机化学奖，美国国家自然科学基金会特别创新奖、美国国家科学基金成就奖，美国科学促进会院士、霍华德休斯医学研究所HHMI教授、Jay and Ann Schenck教授等。

https://www.x-mol.com/university/faculty/188