美国西北大学Chad A. Mirkin J. Am. Chem. Soc.：用于活细胞化学分析的蛋白质球形核酸

【引言】

在分子水平上对活细胞进行化学分析可提供对动态细胞过程的基本了解，了解细胞内分析物在疾病进展中的作用，并指导了新的医学诊断工具的开发。尽管基于分子识别（基于结合的传感）和分子反应性（基于活性的传感）的荧光探针已经带来了显着的新功能，但是大多数技术都需要固定或裂解细胞，使用细胞毒性转染试剂，或细胞的遗传编码。具体来说，通常使用基于蛋白质和核酸的方法（例如酶联免疫吸附测定，遗传编码的荧光蛋白和RNA传感器，聚合酶链反应和荧光原位杂交）来检测多种生物分析物。然而，外源蛋白质和核酸没有被细胞有效地内在化。因此，将它们发展成活细胞细胞内探针是具有挑战性的。

【成果简介】

        美国西北大学的Chad A. Mirkin报道了基于蛋白质球形核酸（ProSNAs）的活细胞化学分析新策略的发展。ProSNA体系结构可通过高度可编程的核酸外壳或功能蛋白核心实现分析物检测。作为概念验证，作者使用i-基序作为核酸识别元件来探测活细胞中的pH。通过将i-基序与强制插入读数接口，作者引入了一种无猝灭剂的方法，该方法可抵抗假阳性信号，从而克服了与常规荧光素/猝灭剂基的金纳米火炬相关的局限性。使用葡萄糖氧化酶作为功能性蛋白核心，显示了基于活性的葡萄糖放大传感。这种酶促系统的荧光开启率大于100倍，在存在类似物的情况下对葡萄糖具有选择性，并且可以检测到高于约5μM阈值浓度的葡萄糖。细胞内葡萄糖浓度相对变化的研究。该成果以题为“Protein Spherical Nucleic Acids for Live-Cell Chemical Analysis”发表在J. Am. Chem. Soc.上。

【图文导读】

图1.探针的结构以及工作机理

（A）带有赖氨酸和半胱氨酸残基的β-半乳糖苷酶的结构突出

（B）强制插入染料噻唑橙的结构，TO（羧甲基化衍生物）

（C）用TO取代单个碱基的i-基序序列

（D）折叠的i-基序，在基对之间插入TO

（E）在pH 7.5和pH 5.5的ProTOn的结构。i-基序结构的形成导致TO的荧光开启

图2.探针的pH响应

（A）ProTOn和对照探针的体外荧光响应随pH的变化

（B）用ProTOn和对照探针处理的MDA-MB-231细胞的TO通道荧光响应

图3.结构与工作机理

（A）葡萄糖氧化酶SNA（GOx-SNA）的结构

（B）荧光素双（苄基硼酸酯），FBBBE的结构

（C）为葡萄糖检测开发的两步测定法。（i）首先，GOx-SNAs催化β-D-葡萄糖向D-葡萄糖基1,5-内酯的转化，并形成H2O2；（ii）生成的H2O2与非荧光FBBBE反应，并产生高度荧光的荧光素

图4.体外实验

（A）GOx-SNA对葡萄糖浓度增加的体外荧光反应

（B）GOx-SNA对其他糖类的体外选择性

（C）不同处理条件下EL4细胞的荧光

（D）对应于（C）中数据的代表性荧光直方图

【小结】

总之，作者基于ProSNAs开发了功能强大的新型细胞内探针。 它们的模块化结构允许人们独立地改变蛋白质核心和核酸外壳，并通过基于结合或基于活性的传感，使用任一组分作为传感部分来检测分析物。核酸的可编程性质原则上将允许使用适体，DNA酶或基于杂交的探针检测靶标。蛋白质无与伦比的特异性将产生对目标具有高度选择性的探针。

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

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