《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》報(bào)道藥學(xué)院甲醛熒光探針研究領(lǐng)域新進(jìn)展
近日，化學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society，JACS）以“Analyte Regeneration Fluorescent Probes for Formaldehyde Enabled by Regiospecific Formaldehyde-Induced Intramolecularity”為題，報(bào)道了我校藥學(xué)院在甲醛熒光探針研究領(lǐng)域的新進(jìn)展。
甲醛是一種常見(jiàn)環(huán)境揮發(fā)性污染物和致癌物之一。甲醛也是體內(nèi)內(nèi)源性一碳代謝中間產(chǎn)物，是某些氨基酸和DNA堿基生物合成中必需的一碳合成單元，與DNA和組蛋白的去甲基化、基因調(diào)控、癌癥和阿爾茨海默癥等生理病理過(guò)程密切相關(guān)。由于甲醛在體內(nèi)生成與轉(zhuǎn)化的內(nèi)平衡（homeostasis）受相關(guān)過(guò)程不同酶的調(diào)控，作為可能的體內(nèi)信號(hào)傳遞分子，其濃度的時(shí)空變化與其生物活性的內(nèi)在關(guān)聯(lián)關(guān)系還不甚清楚。因此，發(fā)展能對(duì)生物體系中的甲醛分子進(jìn)行快速、靈敏、高選擇性時(shí)空檢測(cè)的甲醛探針對(duì)研究和闡明甲醛分子的生物學(xué)功能有重要的意義。
另一方面，熒光探針由于可方便、靈敏、實(shí)時(shí)對(duì)生物樣品中的待測(cè)物進(jìn)行檢測(cè)及成像，近年來(lái)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。傳統(tǒng)的反應(yīng)型熒光探針在熒光信號(hào)產(chǎn)生的過(guò)程中會(huì)引起待測(cè)物分子的消耗，從而影響其濃度和內(nèi)平衡。因此，如何在熒光探針的設(shè)計(jì)中引入待測(cè)物補(bǔ)償機(jī)制成為熒光探針研究領(lǐng)域目前所最關(guān)注的難點(diǎn)之一。針對(duì)這個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題，文章的作者提出了待測(cè)物再生熒光探針（Analyte Regeneration Fluorescent Probe）的概念，通過(guò)選擇性捕獲待測(cè)物，誘導(dǎo)探針的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，產(chǎn)生熒光變化同時(shí)釋放之前捕獲的待測(cè)物分子。
探針的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理
為驗(yàn)證待測(cè)物再生熒光探針概念的可行性，論文的作者基于甲醛的誘導(dǎo)鄰近效應(yīng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了兩個(gè)待測(cè)物再生型甲醛熒光探針NAP-FAP-1和NAP-FAP-2，其中NAP-FAP-2結(jié)構(gòu)中包含溶酶體靶向基團(tuán)嗎啡啉，可以選擇性的檢測(cè)溶酶體中的甲醛。探針以3-（芐胺）琥珀酰亞胺為識(shí)別基團(tuán)，萘酰亞胺為熒光團(tuán)，通過(guò)全新的區(qū)域?qū)Ｒ恍约兹┱T導(dǎo)鄰近效應(yīng)選擇性切斷琥珀酰亞胺的1,5-酰胺鍵，生成六元環(huán)的氮雜內(nèi)酯，進(jìn)一步水解可生成熒光產(chǎn)物，并釋放甲醛分子，實(shí)現(xiàn)對(duì)甲醛分子的熒光檢測(cè)。在反應(yīng)過(guò)程中，同時(shí)利用ICT和PeT雙淬滅效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了熒光增強(qiáng)檢測(cè)信號(hào)與甲醛再生在時(shí)間上的同步。文章作者也通過(guò)細(xì)胞成像和酶標(biāo)儀實(shí)驗(yàn)對(duì)兩個(gè)探針的生物學(xué)應(yīng)用進(jìn)行了初步的驗(yàn)證。結(jié)合兩個(gè)探針的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，首次證實(shí)了HeLa細(xì)胞用四氫葉酸培養(yǎng)后溶酶體中可生成內(nèi)源性甲醛。
該論文報(bào)道的待測(cè)物再生型甲醛熒光探針能實(shí)現(xiàn)甲醛熒光檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生的同時(shí)實(shí)現(xiàn)甲醛的再生，因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物體系中甲醛濃度的干擾的最小化，為甲醛的生理、病理和信號(hào)傳遞通路的研究提供新的化學(xué)生物學(xué)工具。同時(shí)誘導(dǎo)鄰近效應(yīng)和“待測(cè)物再生熒光探針”概念可以為其它活性代謝分子的熒光探針的研發(fā)提供新的設(shè)計(jì)思路。
結(jié)合兩個(gè)探針可以比較HeLa細(xì)胞分別用甲醛（左）和四氫葉酸（右）
處理后細(xì)胞質(zhì)和溶酶體中甲醛的相對(duì)濃度
論文的第一作者為博士研究生徐航，樓開(kāi)炎等專(zhuān)家為該論文的共同通訊作者。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目和生物反應(yīng)器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b09794
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