Angew. Chem.封底论文：模块化策略构建比率型细胞膜传感器

来源：X一MOL资讯

细胞膜微环境与细胞信号转导、黏附和增殖分化等生理过程密切相关，因此可视化分析细胞与微环境之间的相互作用有助于加深我们对相关生理和病理过程的认识和理解。常规的分析方法，包括流式细胞术、酶联免疫分析法和质谱法等难以实现高时空分辨的监测和追踪细胞表面的生物信号分子。基于核酸分子优异的可设计性、亲水性和生物相容性，近年来研究者以核酸适配体（aptamer）和脱氧核酶（DNAzyme）等功能核酸作为识别元件构建了一系列细胞膜传感器。但是，受限于碱基的有限的化学多样性及非共价相互作用，基于DNA的细胞膜传感器仅实现了对pH、金属离子、小分子和蛋白质等有限几种靶标的检测。气体信号分子如SO2和NO等，在生物体内细胞通讯与信号传递过程中具有重要作用。然而气体信号分子化学结构简单、分子量小，其特异性识别的核酸适配体尚未见报道，因此利用核酸传感器监测细胞膜微环境中气体信号分子仍然面临巨大的挑战。

在自然界中，为了弥补天然氨基酸侧链或碱基的化学多样性的不足，生物体通常利用有机小分子辅因子（cofactor）协助酶分子完成一些重要的生理功能。例如，glmS核酶催化的水解作用需要辅因子D-葡萄糖胺-6-磷酸（GlcN6P）的参与；血红蛋白利用血红素基团来实现可逆地结合和释放氧分子。效法于自然，湖南大学聂舟教授团队将人工合成辅因子与功能核酸相结合，利用两者之间的协同作用构建基于DNA的细胞膜传感器，实现了细胞膜微环境中SO2衍生物和NO信号分子的活细胞成像分析。在这些传感器中，功能化DNA模块可通过商业化的DNA固相合成批量获得，具有易于设计合成和性价比高的优点。受益于模块化设计的优点，通过设计响应性辅因子并协调供体荧光团的光谱，可构建响应其它信号分子的比率型细胞膜传感器。因此，该团队发展的模块化方法综合了核酸和小分子探针的优点，为构建基于DNA的比率型细胞膜传感器提供了一个通用的策略。

图1. 基于DNA和辅因子的比率型细胞膜传感器的构建策略和工作原理示意图

如图1所示，该传感器由刺激响应性辅因子和功能化DNA单元这两个模块构成。该研究工作以G-四联体DNA为基础构建含有FRET供体和插膜单元的功能化DNA模块，设计和改造G-四联体小分子配体构建刺激响应性辅因子模块。以上两个模块自组装形成完整的FRET型传感器，并通过DNA末端的插膜单元固定在细胞膜表面。当细胞分泌信号分子时，响应性辅因子与信号分子反应后其荧光特性发生改变，引起传感器FRET信号的变化，从而实现对细胞膜微环境中气体信号分子的比率型荧光成像分析。该工作以苯并噻唑为母体分别设计和合成响应信号分子SO2衍生物和NO的辅因子（1a和2a，图1），构建相应的比率型传感器分别实现了活细胞中SO2衍生物和NO外排过程的原位监测（图2）。

图2. 比率型细胞膜传感器监测内源性（a）SO2衍生物和（b）NO的外排。

该工作首次将刺激响应性辅因子与功能核酸相结合，发展比率型细胞膜传感器实现了细胞膜微环境中信号分子的监测，为构建比率型细胞膜传感器提供一种模块化设计策略。该策略具有以下优点：（1）集成DNA和小分子荧光探针的优点;（2）模块化设计和装配避免了繁琐的合成过程;（3）协调两个模块可实现方法的通用性。这项工作不仅为发展基于DNA的细胞膜传感器提供了一个全新的思路，同时也为生物医学研究和疾病诊断提供了强有力的新工具。

相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上，并入选该杂志的Very Important Paper和当期的Back Cover（封底）。湖南大学化学化工学院博士研究生冯光富和骆星宇为共同第一作者，聂舟教授和雷春阳助理教授为共同通讯作者。相关研究工作得到国家自然科学基金等项目的支持。

该团队自主设计的封底的灵感源于中国传统吉祥图案——双鱼戏珠。在该封底中，DNA和辅因子模块化作两条灵动的锦鲤，在象征着细胞表面的云海之中嬉戏明珠（传感器）；云海中的明月浮现“千年学府”湖南大学校徽，通过生动的“中国风”表现形式形象地展现工作的科学内容。