田蕊團隊發表基於基因工程策略編輯近紅外二區熒光探針的新方法研究
發布時間:2022年05月25日 來源:公共衛生學院

5月23日,公共衛生學院分子影像暨轉化醫學研究中心、分子疫苗學和分子診斷學國家重點實驗室田蕊研究員團隊在《自然•通訊》(Nature Communications)上發表題為“A genetic engineering strategy for editing near-infrared-II fluorophores”的研究論文。該論文突破傳統化學合成和修飾來開發近紅外二區探針的方法,首次利用基因工程策略編輯近紅二區熒光探針的量子產率、探針尺寸大小和體內藥代動力學特性,為近紅外二區染料的開發提供了新的思路。

基於基因工程策略對近紅外二區熒光探針進行編輯的機製

近紅外二區(NIR-II,發射波長1000-1700nm)成像是熒光成像的研究前沿和引領性技術,其具有深度組織的高穿透性和高信噪比,為真正的活體熒光成像及深層組織高分辨率、實時熒光成像提供了可能性,而如何開發出性能優秀的NIR-II分子探針是NIR-II成像應用的關鍵。

前期,研究團隊偶然發現花菁類染料與血清白蛋白(HSA)可以發生自組裝並產生數倍熒光增強,並將其應用於NIR-II成像,該探針組分簡單有效,具有較強的臨床轉化潛力(Rui Tian, et al., Sci. Adv. 2019)。在此基礎上,研究團隊為了進一步探索花菁類染料與HSA相互作用的具體位點,利用酵母體係表達HSA的不同結構域,發現了染料與HSA結合的關鍵亞結構域(DIII/DIIIa)。同時,研究團隊還意外地發現,結構中含氯取代基的染料(Cl-dye)能與HSA亞基發生親核取代反應,形成共價鍵,而不含氯的染料(Cl-free dye)與HSA亞基形成非共價鍵吸附。這一發現與以往研究中所認為的二者通過吸附作用形成複合物所不同。之後,研究團隊進一步通過Shot-gun 蛋白組學和超高分辨率LC/MS研究了數萬個由四種酶切斷產生的白蛋白亞基小片段肽庫與Cl-dye的相互作用,最終鑒定出Cys476為含Cl-花菁類染料與HSA的結合位點。

根據該發現,研究團隊進一步研究花菁類染料與HSA的結合機製和過程。由於Cys476在DIIIa上的疏水口袋,Cl-dye與亞基結合後插入,並通過共價鍵牢牢“勾在”蛋白外殼內,一方麵固定染料增加其剛性,另一方麵降低其在水溶液中形成的碰撞淬滅,均能極大程度地提高探針的量子產率。同時由於蛋白外殼可以通過基因工程或化學修飾的方法進行改性,因此可以不改變dye結構的情況下進行編輯,精確定製藥代動力學的特性(尺寸),並可使其具有生物靶向等功能。基於此,研究團隊利用基因工程技術獲得了一係列白蛋白片段(含有一個或多個結構域的重組蛋白),這些蛋白與Cl-dye通過共價鍵結合構建出一係列新型NIR-II分子探針,具有量子產率高、生物相容性好、藥代動力學性質可控等突出優點,顯著拓展了NIR-II成像的臨床應用前景。

Cl-dye與HSA變體Cys476位點發生親核取代反應並形成熒光增強型探針

公共衛生學院田蕊研究員為該論文的第一作者和通訊作者,美國J Craig Venter研究所Yanbao Yu (現就職特拉華大學),吉林大學朱守俊教授以及新加坡國立大學陳小元教授為該論文的共同通訊作者。公共衛生學院碩士生馮鑫、魏龍、代道國等參與了部分研究工作。該研究得到國家自然科學基金和學校“南強青年拔尖人才支持計劃”等經費支持。

全文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-30304-9

(公共衛生學院)


【責任編輯:謝晨馨】
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