脱氧核酶介导的基因编码探针用于细胞内金属离子成像

基因编码荧光蛋白传感器已被广泛用于检测细胞内蛋白质和其它的目标分子，但是此类传感器在金属离子的检测的应用较少。现有的策略主要将具有金属离子结合能力的蛋白质或者多肽序列与荧光蛋白相融合，从而构建具有金属离子识别功能的传感器。由于可特异性结合金属离子的蛋白质或多肽的种类较少，并且难以将它们之间的结合作用转化为荧光信号的变化。

脱氧核酶（DNAzymes）指的是一类通过体外筛选获得的具有催化功能的DNA分子，可在特定金属离子作为辅酶因子的情况下特异性地切割RNA底物。目前，已获得多种具有金属离子特异性的脱氧核酶，并被广泛地用于环境和生物体中金属离子检测，例如 Mg²⁺、Zn²⁺、UO₂²⁺、Pb²⁺、Ag⁺和 Na⁺等。因此，利用脱氧核酶识别范围广的优势，有希望改善基因编码传感器在金属离子检测中的不足。

伊利诺伊大学-香槟分校（UIUC）陆艺（Yi Lu）教授（点击查看介绍）课题组在脱氧核酶筛选及应用中做了大量的基础研究工作。最近他们与湖南大学张晓兵教授（点击查看介绍）课题组合作，提出利用具有金属离子特异性的脱氧核酶调控荧光蛋白的表达，构建新型的比率型金属离子荧光传感器。这里采用具有Mg²⁺或Zn²⁺特异性的脱氧核酶，在相应金属离子存在下剪切细胞中绿色荧光蛋白的mRNA，从而抑制绿色荧光蛋白的表达，引起荧光信号的变化（图1）。该策略具有通用性，可用于多种金属离子的检测，从而扩大基因编码的荧光蛋白传感器的金属离子检测范围。

图1. 脱氧核酶介导的基因编码传感器用于活细胞内离子成像。

通过优化脱氧核酶与目标RNA的结合序列，这里获得了具有较高多重切割活性的10-23 DNAzyme。将其应用于绿色荧光蛋白和红色荧光蛋白双表达的细胞中，可观察到绿色荧光信号随着离子浓度的升高而明显减弱，红色荧光则无明显变化，呈现出比率型荧光信号（图2）。

图2. 脱氧核酶工作原理及其序列优化；活细胞内离子比率型成像效果。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是湖南大学博士研究生熊梦仪和伊利诺伊大学-香槟分校博士研究生Zhenglin Yang（杨正林）。

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DNAzyme-Mediated Genetically Encoded Sensors for Ratiometric Imaging of Metal Ions in Living Cells

Mengyi Xiong, Zhenglin Yang, Ryan J. Lake, Junjie Li, Shanni Hong, Huanhuan Fan, Xiao-Bing Zhang,* Yi Lu*

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201912514

陆艺教授简介

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。从1994年起在美国伊利诺斯大学香槟分校(UIUC)任教，现为该校化学系，生物化学系，生物工程系和材料科学与工程系终身教授。

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

张晓兵教授简介

张晓兵，2001获得湖南大学化学博士学位，2003-2005年在法国里昂高等师范学校、瑞典皇家工学院从事博士后研究。2001起在湖南大学任教，现任湖南大学化学化工学院院长、分子科学与生物医学湖南省重点实验室主任，核酸适配体湖南省工程实验室主任。任长江学者特聘教授，为国家杰出青年科学基金获得者。

研究领域包括a)新型有机小分子荧光探针的设计与合成；b)荧光生物探针在生物分析中的应用。在JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Soc. Rev.、 Adv. Mater. 等学术刊物发表文章170多篇。以第一完成人身份获2018年湖南省自然科学一等奖及2018年教育部自然科学一等奖，入选爱思唯尔2017、2018年中国高被引学者。

https://www.x-mol.com/university/faculty/10111