彭濤課題組開(kāi)發(fā)新型基因編碼的甲醛熒光探針和生物發(fā)光探針
? ? ? ?近日，我院彭濤課題組在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）發(fā)表通訊論文，報(bào)道了首例基于甲醛化學(xué)反應(yīng)活性的新型基因編碼甲醛熒光探針和生物發(fā)光探針。
? ? ? ?眾所周知，甲醛是一種廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)的基本化學(xué)原料，也是一種常見(jiàn)的環(huán)境污染物和致癌物。但少為人知的是，哺乳動(dòng)物和人體內(nèi)的一系列正常生命活動(dòng)也能產(chǎn)生內(nèi)源性甲醛。在生理?xiàng)l件下，生物體內(nèi)源甲醛的濃度維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平，作為一碳代謝中間產(chǎn)物用于制造重要的細(xì)胞結(jié)構(gòu)單元并作為信號(hào)分子參與正常的生理過(guò)程。然而過(guò)量的甲醛卻能引起蛋白質(zhì)和核酸形成分子交聯(lián)，影響基因的正常表達(dá)以及蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。因此，內(nèi)源甲醛濃度的異常增高已經(jīng)與多種疾病的病理過(guò)程聯(lián)系在一起，包括癌癥和阿爾茨海默癥等。為了深入研究甲醛在生理和病理?xiàng)l件下的確切作用和機(jī)制，并開(kāi)發(fā)基于內(nèi)源甲醛的新診斷和治療方法，發(fā)展能用于生物體系中進(jìn)行甲醛檢測(cè)的探針至關(guān)重要。由于熒光探針和生物發(fā)光探針具有快捷、高靈敏度、高選擇性、非侵入性以及時(shí)空成像能力等優(yōu)點(diǎn)，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了多種檢測(cè)甲醛的小分子熒光探針和生物發(fā)光探針。相比于小分子探針，基于蛋白質(zhì)的可基因編碼的熒光探針和生物發(fā)光探針以DNA的形式引入活細(xì)胞或生物體內(nèi)，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如優(yōu)越的細(xì)胞滯留能力，細(xì)胞特異和亞細(xì)胞器特異靶向性，以及穩(wěn)定持久的標(biāo)記等。然而，基因編碼的甲醛熒光探針和生物發(fā)光探針目前還鮮有報(bào)道。
? ? ? ?彭濤課題組巧妙地整合了甲醛的化學(xué)反應(yīng)活性、化學(xué)生物學(xué)前沿的基因密碼子擴(kuò)展技術(shù)以及蛋白質(zhì)活性調(diào)控，成功開(kāi)發(fā)了新型基因編碼的甲醛熒光探針和生物發(fā)光探針。研究人員設(shè)計(jì)合成了具有高烯丙基胺側(cè)鏈的賴氨酸衍生物PrAK，能選擇性地與甲醛進(jìn)行2-氮雜-Cope重排反應(yīng)，并通過(guò)水解和消除生成賴氨酸。利用基因密碼子擴(kuò)展技術(shù)，研究人員分別將非天然氨基酸PrAK位點(diǎn)特異地插入增強(qiáng)綠色熒光蛋白（EGFP）和螢火蟲熒光素酶（fLuc）的關(guān)鍵賴氨酸殘基上，構(gòu)建基因編碼的甲醛熒光探針和生物發(fā)光探針。與甲醛反應(yīng)之前，由于關(guān)鍵賴氨酸位點(diǎn)缺失，引入PrAK的EGFP和fLuc探針?lè)謩e表現(xiàn)出微弱的熒光和生物發(fā)光酶活性；當(dāng)甲醛存在時(shí)，其與PrAK殘基發(fā)生選擇性2-氮雜-Cope重排反應(yīng)生成賴氨酸，導(dǎo)致EGFP和fLuc探針的熒光和生物發(fā)光酶活性顯著增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)甲醛的熒光和生物發(fā)光檢測(cè)。研究表明，這兩種基因編碼的探針均能在緩沖溶液和活細(xì)胞中檢測(cè)生理濃度相關(guān)的甲醛，并在活細(xì)胞中對(duì)甲醛進(jìn)行可視化成像檢測(cè)。利用基因編碼的甲醛熒光探針，研究人員進(jìn)一步證實(shí)了在葉酸衍生物的代謝循環(huán)中可產(chǎn)生內(nèi)源甲醛。這項(xiàng)工作為研究和揭示內(nèi)源甲醛的生理和病理功能提供了新的化學(xué)生物學(xué)工具，同時(shí)為發(fā)展基于活性的傳感策略提供了新的思路。
? ? ? ?相關(guān)工作發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》期刊上（Angewandte Chemie International Edition, DOI: 10.1002/anie.202001425），我院彭濤老師為唯一通訊作者，彭濤課題組博士研究生張雨晴和杜一萌為共同第一作者。彭濤課題組博士研究生李曼佳和張棟也參與了該研究，我院項(xiàng)征老師提供了質(zhì)粒上的幫助。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委和深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)的基金支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202001425
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