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南师大TrAC:转录因子分析传感方法的研究进展

转录因子 (Transcription factors, TFs) 是细胞的一类序列特异性DNA结合蛋白,作为调控蛋白和细胞信号转导的最终效应器参与生命活动。TFs与基因中的转录调节区结合,控制基因的表达,从而调控细胞的生长与分化。研究发现,TFs的表达水平异常与疾病的发生密切相关,因此TFs可作为判断疾病发生、发展和预后的标志物。与此同时,研究表明对失调的TFs进行干预对癌症、自身免疫疾病的治疗具有潜在意义,因此TFs也是一种极具潜力的药物作用靶点。所以,开发灵敏准确的TFs检测方法对早期准确诊断疾病以及疾病预后具有重要意义。


近期,南京师范大学食品与制药工程学院的研究人员发表了一篇综述梳理了体外和体内TFs传感的最新进展。该篇综述以“Recent advance in the sensing of biomarker transcription factors”为题发表在TrAC Trends in Analytical Chemistry 上。


TFs的传感包括识别、转导、加工和检测四个主要步骤。在生物样品中识别并区分出TFs,产生识别信号,然后把识别信号转换成易于检测的形式,最后进行信号处理和检测。作为分析系统,其核心技术在于保证TFs检测的选择性和特异性的步骤。由于TFs具有内在的序列特异性结合活性,所以可以通过含有TFs结合位点的DNA来实现TFs的识别。此外,一些对TFs具有高亲和力的化合物也可以作为TFs的有效识别元件。该综述根据目前TFs检测策略所使用的识别及转换原理将传感策略分为三大类:TFs-蛋白质亲和、TFs-DNA亲和以及TFs标记,系统介绍了TFs的检测策略,并梳理了这三种策略各自的优缺点。进一步补充了最近体外TFs传感的进展,特别着重总结了体内TFs传感的成就。


(1)TFs-蛋白质亲和策略


在TFs检测的方法研发的早期阶段,最先得到利用的是抗原抗体之间的特异性结合。把TFs看作是待识别抗原,筛选出对TFs有特异性亲和力的受体或者抗体,进一步对受体或者抗体进行结构修饰或者信号标记,例如与酶或荧光染料连接,然后跟踪或定量,就可以达到识别TFs和信号转换的目的。


(2)TFs-DNA亲和策略


TFs的结构中具有特定的DNA结合区域,所以利用该区域与dsDNA特异性结合成为目前开发TFs检测方法的最常用策略。已有实验证明,结合区域与dsDNA的结合亲和力与抗原抗体之间的亲和力相当。同样对dsDNA进行功能化修饰,也能实现TFs的追踪与定量。根据有无辅酶参与协助,还可以将该类方法分为两类:酶辅助策略及无酶辅助策略。


(3)TFs的标记策略


与许多其他蛋白质类似,转录因子可以被标记,然后在生物分子标记技术的帮助下进行跟踪。早期的工作主要使用荧光蛋白(FP)来标记转录因子,其中FPs与靶转录因子一起表达形成融合蛋白。这些荧光蛋白的荧光发射可以是恒定的,也可以是可切换的,然后使用成像系统监测目标荧光蛋白的细胞动力学,如光漂白后的荧光恢复(FRAP),单分子跟踪(SMT)和荧光相关光谱(FCS)。然而,FPs的光稳定性通常较弱,这使得它们在长时间连续观察的激发下出现漂白现象。随后,出现了标记标签(SNAPTag和HaloTag)和有机染料(JF646和JF549),它们可以提高检测方法的稳定性和信噪比,从而实现了TFs的长期、实时检测以及单分子成像。

TFs的细胞成像


TFs的动力学与细胞命运密切相关,因此对转录因子的细胞内成像可以为解析它们在生命过程中的作用提供强大工具。TFs细胞内成像的快速发展很大程度上得益于分子识别、超分辨显微术的发展,而本综述主要讨论了TFs分子识别上的研究进展。按照三种不同的检测策略对具体的TFs体内检测方法进行一一介绍,其中TFs-蛋白质亲和策略是目前主流的TFs细胞成像手段。

图1. 核酸酶辅助TFs信号识别策略的示意图。

图2. 基于空间位阻策略的无扩增TFs传感器。


图3. 基于分子空间距离与和变构策略的无扩增TFs传感器。


图4. 基于TFs-DNA亲和策略的无扩增TFs传感器


图5. 基于TFs-DNA亲和策略与辅助链生成的信号放大TFs传感器。


图6. 基于TFs-DNA亲和策略与辅助链降解或裂解的信号放大TFs传感器。


图7. TFs的细胞内成像


总结及展望


目前TFs检测方法已经取得了很大的进步,但是这些TFs的生物传感方法距离医学研究中的实际应用仍然有一定的距离。作者认为,当前亟需进一步探索TFs-DNA的信号转换机制、扩展体内TFs检测的手段、优化TFs生物传感方法各项性能来增强实际可行性、探索TFs的多通路检测手段,以及开发低丰度TFs的识别方法。综上所述,近年来TFs生物传感方法得到了快速的发展,未来一些创新的化学生物学、分子生物学手段的融入将使得TFs的传感得到进一步的发展。


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Recent advance in the sensing of biomarker transcription factors

Bingzhi Li, Siying Xie, Anqi Xia, Tiying Suo, He Huang, Xing Zhang, Yue Chen, Xuemin Zhou

Trends Anal. Chem., 2020, 132, 116039, DOI: 10.1016/j.trac.2020.116039


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