美國西北大學Chad A. Mirkin J. Am. Chem. Soc.：用于活細胞化學分析的蛋白質球形核酸

【引言】

在分子水平上對活細胞進行化學分析可提供對動態細胞過程的基本了解，了解細胞內分析物在疾病進展中的作用，并指導了新的醫學診斷工具的開發。盡管基于分子識別（基于結合的傳感）和分子反應性（基于活性的傳感）的熒光探針已經帶來了顯著的新功能，但是大多數技術都需要固定或裂解細胞，使用細胞毒性轉染試劑，或細胞的遺傳編碼。具體來說，通常使用基于蛋白質和核酸的方法（例如酶聯免疫吸附測定，遺傳編碼的熒光蛋白和RNA傳感器，聚合酶鏈反應和熒光原位雜交）來檢測多種生物分析物。然而，外源蛋白質和核酸沒有被細胞有效地內在化。因此，將它們發展成活細胞細胞內探針是具有挑戰性的。

【成果簡介】

??????? 美國西北大學的Chad A. Mirkin報道了基于蛋白質球形核酸（ProSNAs）的活細胞化學分析新策略的發展。ProSNA體系結構可通過高度可編程的核酸外殼或功能蛋白核心實現分析物檢測。作為概念驗證，作者使用i-基序作為核酸識別元件來探測活細胞中的pH。通過將i-基序與強制插入讀數接口，作者引入了一種無猝滅劑的方法，該方法可抵抗假陽性信號，從而克服了與常規熒光素/猝滅劑基的金納米火炬相關的局限性。使用葡萄糖氧化酶作為功能性蛋白核心，顯示了基于活性的葡萄糖放大傳感。這種酶促系統的熒光開啟率大于100倍，在存在類似物的情況下對葡萄糖具有選擇性，并且可以檢測到高于約5μM閾值濃度的葡萄糖。細胞內葡萄糖濃度相對變化的研究。該成果以題為“Protein Spherical Nucleic Acids for Live-Cell Chemical Analysis”發表在J. Am. Chem. Soc.上。

【圖文導讀】

圖1.探針的結構以及工作機理

（A）帶有賴氨酸和半胱氨酸殘基的β-半乳糖苷酶的結構突出

（B）強制插入染料噻唑橙的結構，TO（羧甲基化衍生物）

（C）用TO取代單個堿基的i-基序序列

（D）折疊的i-基序，在基對之間插入TO

（E）在pH 7.5和pH 5.5的ProTOn的結構。i-基序結構的形成導致TO的熒光開啟

圖2.探針的pH響應

（A）ProTOn和對照探針的體外熒光響應隨pH的變化

（B）用ProTOn和對照探針處理的MDA-MB-231細胞的TO通道熒光響應

圖3.結構與工作機理

（A）葡萄糖氧化酶SNA（GOx-SNA）的結構

（B）熒光素雙（芐基硼酸酯），FBBBE的結構

（C）為葡萄糖檢測開發的兩步測定法。（i）首先，GOx-SNAs催化β-D-葡萄糖向D-葡萄糖基1,5-內酯的轉化，并形成H2O2；（ii）生成的H2O2與非熒光FBBBE反應，并產生高度熒光的熒光素

圖4.體外實驗

（A）GOx-SNA對葡萄糖濃度增加的體外熒光反應

（B）GOx-SNA對其他糖類的體外選擇性

（C）不同處理條件下EL4細胞的熒光

（D）對應于（C）中數據的代表性熒光直方圖

【小結】

總之，作者基于ProSNAs開發了功能強大的新型細胞內探針。 它們的模塊化結構允許人們獨立地改變蛋白質核心和核酸外殼，并通過基于結合或基于活性的傳感，使用任一組分作為傳感部分來檢測分析物。核酸的可編程性質原則上將允許使用適體，DNA酶或基于雜交的探針檢測靶標。蛋白質無與倫比的特異性將產生對目標具有高度選擇性的探針。

文獻鏈接：Protein Spherical Nucleic Acids for Live-Cell Chemical Analysis. J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c06866

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