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湖南大学唐丽娟等：Isaindigotone衍生的近红外荧光探针对线粒体中DNA G-四联体的可视化

2024-10-23 分享

1. 研究背景

G-四链体（G-quadruplex, G4）是由DNA或RNA形成的特殊的核酸二级结构。由于大量的G4s结构被发现存在于活细胞的基因组和转录组中，G4s的生物学功能在过去的数十年中受到了广泛的关注。G4s除了在细胞核和细胞质中的普遍存在外，在线粒体DNA（mtDNA）中也存在。生物信息学分析预测，人类mtDNA中有200多个推定的G-四链体形成序列。与正常细胞相比，mtDNA G4s的折叠和形成在癌细胞中更为普遍，这可能与糖酵解增强有关。因此，检测和研究mtDNA G4s动力学的方法可能为阐明其生理和病理作用提供有价值的信息。

已经开发了各种荧光探针来检测和成像生物系统中的G4s。目前用于G4s的荧光探针主要是基于扭曲的分子内电荷转移和聚集引起的淬灭而设计的。G4特异性结合可以限制聚集荧光团的分子内旋转或分解，从而产生用于G4s成像的激活荧光。基于这两个原理，一些探针已经被设计出来，但大多数探针表现出近红外（NIR）荧光发射，但它们的吸收波长仍在可见光和远红色区域，由于自发荧光背景，这可能会阻碍它们在活体生物系统中的广泛应用。此外，这些探针大多位于细胞质中，可以对细胞质RNA G4s进行成像。与细胞质RNA G4s和细胞核DNA G4s探针相比，mtDNA G4s的荧光探针仍然非常有限。

2. 结果与讨论

开发了一种新的板蓝根生物碱Isaindigotone衍生物作为G4指示剂，具有近红外吸收/发射、高激活倍数和高特异性，用于活细胞和体内mtDNA G4s的荧光检测和成像。Isaindigotone是一种天然存在的生物碱，已被证明对G4s具有理想的亲和力和选择性。通过将异靛酮与二乙氨基取代的香豆素偶联，并将其与亲脂性阳离子三苯基鏻部分（TPP）结合用于线粒体靶向，开发了一种用于mtDNA G4s的荧光探针。然而，该探针表现出相对较短的吸收波长（<600nm），并依赖于三苯基鏻进行线粒体靶向。

进一步，通过扩展异靛酮的偶联体来设计mtDNA G4s的近红外荧光探针。氟取代的季铵化喹唑啉酮作为吸电子基团。通过与不同的供电子基团偶联，包括二甲基氨基苯基、甲基吲哚、甲基喹啉、甲基吖啶、氧杂蒽，分别获得ISAP、ISMI、ISMQ、ISMA、ISNX和ISDX。其中，ISAP表现出NIR吸收/发射和对DNA G4s的高荧光激活倍数。分子对接（MD）分析表明，ISAP通过多重π-π堆积和氢键相互作用与DNA G4相互作用。研究表明，ISAP定位于线粒体，并允许活细胞中mtDNA G4s的特异性可视化。最后，作者使用ISAP来监测mtDNA G4s在糖酵解和氧化应激下的动力学，并使用携荷瘤小鼠展示了其在体内成像mtDNA G4s的能力。

图1. 用于mtDNA G4s检测和成像的IS系列探针示意图

图2. ISAP用于活细胞中mtDNA G4s成像

图3. ISAP用于荷瘤小鼠中mtDNA G4s成像

DOI:10.1021/acs.analchem.4c03722

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