尤明旭 JACS: 基因編碼的催化發夾組裝，用于活細胞中的靈敏RNA成像
【引言】
DNA和RNA折疊成精確納米結構的能力已被用于各種生物學和生物醫學領域。這些核酸精確自組裝的納米結構為可編程分子識別工具的開發創造了很好的平臺。在過去的十年中，已經設計了一系列復雜的基于核酸的電路并應用于生物分析檢測。其中催化發夾組件（CHA）已被證明是其中的一種。這些無酶等溫CHA電路具有快速有效的信號放大、背景低、周轉率高的優點。基于這些高度的敏感性和靶向特異性CHA反應的DNA電路已經應用于各種體外無細胞分析，包括核酸、小分子和蛋白質的檢測和定量分析。但是大多數基于DNA的電路的細胞內功能存在生物遞送和降解困難的缺點。而另一方面，RNA分子是可以在生命系統內進行遺傳編碼和轉錄的。因此，基于RNA的電路和裝置在細胞內應用應該是具有很大的潛力。
【成果簡介】
近日，美國馬薩諸塞大學的尤明旭教授（通訊作者）等報道了一種基于RNA的催化發夾組裝電路的遺傳編碼，用于活細胞內的靈敏RNA成像。 熒光RNA適體Broccoli的分裂形式用作報道分子。 一種靶RNA可以催化地觸發數十至數百個Broccoli的熒光，可以靈敏地靶向的檢測RNA。并且進一步優化他們設計的電路，可以輕松的編程以便靶向各種RNA序列進行成像。 該設計原理為開發用于細胞應用的各種基因編碼RNA電路開辟了新的舞臺。研究成果以題為“Genetically Encoded Catalytic Hairpin Assembly for Sensitive RNA Imaging in Live Cells”發布在國際著名期刊JACS上。
【圖文導讀】
圖一、CHARGE 的電路原理圖?
圖二、不同的序列設計優化CHARGE的信噪比??
圖三、D2 CHARGE系統的體外表征?
（a） 有或無靶標下，Broccoli和CHARGE電路的熒光發射光譜；
（b） D2 CHARGE對不同濃度靶標的熒光響應；
（c） 加入不同量的目標時CHARGE電路的動力學圖；
（d） Mg2 +濃度對CHARGE電路的影響。
圖四、活BL21（DE3）*細胞進行共聚焦熒光成像?
圖五、模塊化CHARGE系統可檢測各種RNA靶標?
（a） 基于分子信標的目標檢測示意圖；
（b） 用分子信標結合的D2 CHARGE體外檢測miR21和SgrS;
（c） 添加不同量葡萄糖及其細胞熒光強度分布后，表達H1 + H2 + MBSgrs的細胞的共聚焦熒光成像圖。
圖六、基于HHR系統的茶堿調節細胞RNA水平?
（a） 茶堿誘導的HHR自切割和靶標RNA釋放的示意圖;
（b） 不同濃度的茶堿的體外熒光測定；
（c） 加入不同濃度的茶堿2 h后，10-base-long抑制劑摻入的HHR系統的10％變性PAGE凝膠表征；
（d） 不同濃度的茶堿處理的茶堿-HHR構建體的共聚焦熒光成像圖。
【小結】
研究引入了一種新型的基因編碼RNA電路，可以進行高靈敏度地檢測細胞RNA靶標。 這些CHARGE電路可以很容易地編程，以對活細胞中的各種RNA靶標進行成像。即使在細菌細胞中，當前的電路也得到證實，CHARGE確實也具有真核細胞研究的潛力。類似于用于體外分析的催化發夾組裝電路的通用應用平臺，可以開發出各種CHARGE以進一步檢測其他細胞RNA、蛋白質和小分子，以及用于遺傳調節的開關。 該研究為利用遺傳編碼的RNA電路開發細胞應用開辟了新的方法。
文獻鏈接：Genetically Encoded Catalytic Hairpin Assembly for Sensitive RNA Imaging in Live Cells?（JACS, 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b03956）
尤明旭教授團隊于2016年9月成立，目前由兩名博士后和4名博士生組成。這些熒光RNA分子是在博士后導師Samie Jaffrey組里首先發現的。相關文獻包括：
http://science.sciencemag.org/content/333/6042/642.full
http://science.sciencemag.org/content/335/6073/1194.long
http://www.pnas.org/content/112/21/E2756.long
本文由材料人生物材料組小胖紙編譯。
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