基因编码的荧光DNA核酸适配体成为实时成像活细胞代谢物的新工具

在生物成像领域，荧光蛋白和 RNA 传感器一直是重要工具。然而，由于蛋白质和 RNA 的稳定性和多功能性有限，开发更通用、更稳定的传感器成为一个重要课题。

近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的陆艺教授和合作者在JACS 杂志上发表了一种新型的基因编码荧光 DNA 核酸适配体（Genetically Encoded Fluorogenic DNA Aptamer, GEFDA）传感器，用于在活细胞中实时监测代谢物浓度。

图1. 基因编码荧光 DNA 核酸适配体用于活细胞代谢物的实时成像

目前的荧光传感器多基于荧光蛋白和 RNA 核酸适配体。然而，这些工具在小分子分析物检测方面面临瓶颈，例如结合范围有限、稳定性不足等问题。相比之下，DNA 核酸适配体具有更高的稳定性和更广的结合范围，但传统的 DNA 核酸适配体需要事先标记荧光染料并递送至细胞内，这限制了其实时监测能力。

本研究提出了一种新策略，将 DNA 核酸适配体编码至能够利用反转录酶表达单链DNA的质粒中，并通过细胞内表达持续生成传感器，克服了传统方法中传感器递送效率低、信号持续性差等问题。研究团队通过连接能与 ATP 结合的 DNA 核酸适配体和增强红色荧光的荧光核酸适配体，成功开发了适用于细菌和哺乳动物细胞的 GEFDA 传感器，并实现了对 ATP 浓度的实时成像。

研究团队首先验证了 dimethylindole red（DIR）荧光核酸适配体（DIRFA）的稳定性和灵敏度，并设计了基于 DIRFA 的分裂适配体（DASA）传感器，用于 ATP 检测。为提高信噪比和稳定性，该团队进一步开发了双体 DASA（dDASA）传感器，并将其编码至质粒中，实现了在细菌和哺乳动物细胞中的功能性表达。

dDASA 传感器在存在 ATP 时的荧光信号强度显著增强，可精确检测 ATP 浓度变化。在活细胞中表达GEFDA 传感器后，课题组实现了在单个活细胞中追踪 ATP 水平变化，例如通过调控细胞培养基中的葡萄糖或 ATP 抑制剂浓度，研究细胞代谢动态。该方法为代谢物成像提供了更稳定、灵活的工具，可扩展至检测多种小分子代谢物。

图2. 基因编码荧光 DNA 核酸适配体在Hela细胞中实时ATP成像

小结

本研究开创性地将 DNA 核酸适配体引入基因编码传感器领域，为细胞内小分子检测提供了一种稳定、高效的工具。未来，该平台有望进一步拓展至其他小分子目标物的检测与成像，为生命科学研究和疾病诊断提供重要支持。

文章的第一作者是美国德克萨斯大学奥斯汀分校的博士后吴宇婷博士，陆艺教授为通讯作者。这项研究得到了美国自然科学基金会、美国国立卫生研究院和Robert A. Welch基金会的支持。

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Genetically Encoded Fluorogenic DNA Aptamers for Imaging Metabolite in Living Cells

Yuting Wu, Wentao Kong, Jacqueline Van Stappen, Linggen Kong, Zhimei Huang, Zhenglin Yang, Yu-An Kuo, Yuan-I Chen, Yujie He, Hsin-Chih Yeh, Ting Lu, Yi Lu*

J. Am. Chem. Soc., 2025, DOI: 10.1021/jacs.4c09855