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化生學院彭濤課題組開發新型基因編碼的甲醛熒光探針和生物發光探針
日期:2020-06-19 11:24:27 來源:化學生物學與生物技術學院 點擊:
  近日,化生學院彭濤課題組在《德國應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)發表通訊論文,報道了首例基於甲醛化學反應活性的新型基因編碼甲醛熒光探針和生物發光探針。
  眾所周知,甲醛是一種廣泛用於工業生產的基本化學原料,也是一種常見的環境污染物和致癌物。但少為人知的是,哺乳動物和人體內的一系列正常生命活動也能產生內源性甲醛。在生理條件下,生物體內源甲醛的濃度維持在一個穩定的水平,作為一碳代謝中間產物用於製造重要的細胞結構單元並作為信號分子參與正常的生理過程。然而過量的甲醛卻能引起蛋白質和核酸形成分子交聯,影響基因的正常表達以及蛋白質的結構和功能。因此,內源甲醛濃度的異常增高已經與多種疾病的病理過程聯繫在一起,包括癌症和阿爾茨海默症等。為了深入研究甲醛在生理和病理條件下的確切作用和機制,並開發基於內源甲醛的新診斷和治療方法,發展能用於生物體系中進行甲醛檢測的探針至關重要。由於熒光探針和生物發光探針具有快捷、高靈敏度、高選擇性、非侵入性以及時空成像能力等優點,科學家們開發了多種檢測甲醛的小分子熒光探針和生物發光探針。相比於小分子探針,基於蛋白質的可基因編碼的熒光探針和生物發光探針以DNA的形式引入活細胞或生物體內,具有獨特的優勢,如優越的細胞滯留能力,細胞特異和亞細胞器特異靶向性,以及穩定持久的標記等。然而,基因編碼的甲醛熒光探針和生物發光探針目前還鮮有報道。
  彭濤課題組巧妙地整合了甲醛的化學反應活性、化學生物學前沿的基因密碼子擴展技術以及蛋白質活性調控,成功開發了新型基因編碼的甲醛熒光探針和生物發光探針。研究人員設計合成了具有高烯丙基胺側鏈的賴氨酸衍生物PrAK,能選擇性地與甲醛進行2-氮雜-Cope重排反應,並通過水解和消除生成賴氨酸。利用基因密碼子擴展技術,研究人員分別將非天然氨基酸PrAK位點特異地插入增強綠色熒光蛋白(EGFP)和螢火蟲熒光素酶(fLuc)的關鍵賴氨酸殘基上,構建基因編碼的甲醛熒光探針和生物發光探針。與甲醛反應之前,由於關鍵賴氨酸位點缺失,引入PrAK的EGFP和fLuc探針分別表現出微弱的熒光和生物發光酶活性;當甲醛存在時,其與PrAK殘基發生選擇性2-氮雜-Cope重排反應生成賴氨酸,導致EGFP和fLuc探針的熒光和生物發光酶活性顯著增強,從而實現甲醛的熒光和生物發光檢測。研究表明,這兩種基因編碼的探針均能在緩衝溶液和活細胞中檢測生理濃度相關的甲醛,並在活細胞中對甲醛進行可視化成像檢測。利用基因編碼的甲醛熒光探針,研究人員進一步證實了在葉酸衍生物的代謝循環中可產生內源甲醛。這項工作為研究和揭示內源甲醛的生理和病理功能提供了新的化學生物學工具,同時為發展基於活性的傳感策略提供了新的思路。
  相關工作發表在《德國應用化學》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,我院項徵老師提供了質粒上的幫助。該工作得到了國家自然科學基金委和深圳市科技創新委員會的基金支持。
論文鏈接://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202001425 
專題報道
2019
11月
25
2019-11-25376
梁威,北京大學深圳研究生院信息工程學院2006級電子通訊工程碩士。2009年畢業後回長沙創辦博為軟件技術股份有限公司(下稱“博為軟件”)。現為博為軟件董事長,博為101數據採集引擎研發創始人,廣州大學華軟學院客座教授、創新創業導師。
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