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田蕊团队发表基于基因工程策略编辑近红外二区荧光探针的新方法研究
发布时间:2022年05月25日 来源:公共卫生学院

5月23日,公共卫生学院分子影像暨转化医学研究中心、分子疫苗学和分子诊断学国家重点实验室田蕊研究员团队在《自然•通讯》(Nature Communications)上发表题为“A genetic engineering strategy for editing near-infrared-II fluorophores”的研究论文。该论文突破传统化学合成和修饰来开发近红外二区探针的方法,首次利用基因工程策略编辑近红二区荧光探针的量子产率、探针尺寸大小和体内药代动力学特性,为近红外二区染料的开发提供了新的思路。

基于基因工程策略对近红外二区荧光探针进行编辑的机制

近红外二区(NIR-II,发射波长1000-1700nm)成像是荧光成像的研究前沿和引领性技术,其具有深度组织的高穿透性和高信噪比,为真正的活体荧光成像及深层组织高分辨率、实时荧光成像提供了可能性,而如何开发出性能优秀的NIR-II分子探针是NIR-II成像应用的关键。

前期,研究团队偶然发现花菁类染料与血清白蛋白(HSA)可以发生自组装并产生数倍荧光增强,并将其应用于NIR-II成像,该探针组分简单有效,具有较强的临床转化潜力(Rui Tian, et al., Sci. Adv. 2019)。在此基础上,研究团队为了进一步探索花菁类染料与HSA相互作用的具体位点,利用酵母体系表达HSA的不同结构域,发现了染料与HSA结合的关键亚结构域(DIII/DIIIa)。同时,研究团队还意外地发现,结构中含氯取代基的染料(Cl-dye)能与HSA亚基发生亲核取代反应,形成共价键,而不含氯的染料(Cl-free dye)与HSA亚基形成非共价键吸附。这一发现与以往研究中所认为的二者通过吸附作用形成复合物所不同。之后,研究团队进一步通过Shot-gun 蛋白组学和超高分辨率LC/MS研究了数万个由四种酶切断产生的白蛋白亚基小片段肽库与Cl-dye的相互作用,最终鉴定出Cys476为含Cl-花菁类染料与HSA的结合位点。

根据该发现,研究团队进一步研究花菁类染料与HSA的结合机制和过程。由于Cys476在DIIIa上的疏水口袋,Cl-dye与亚基结合后插入,并通过共价键牢牢“勾在”蛋白外壳内,一方面固定染料增加其刚性,另一方面降低其在水溶液中形成的碰撞淬灭,均能极大程度地提高探针的量子产率。同时由于蛋白外壳可以通过基因工程或化学修饰的方法进行改性,因此可以不改变dye结构的情况下进行编辑,精确定制药代动力学的特性(尺寸),并可使其具有生物靶向等功能。基于此,研究团队利用基因工程技术获得了一系列白蛋白片段(含有一个或多个结构域的重组蛋白),这些蛋白与Cl-dye通过共价键结合构建出一系列新型NIR-II分子探针,具有量子产率高、生物相容性好、药代动力学性质可控等突出优点,显著拓展了NIR-II成像的临床应用前景。

Cl-dye与HSA变体Cys476位点发生亲核取代反应并形成荧光增强型探针

公共卫生学院田蕊研究员为该论文的第一作者和通讯作者,美国J Craig Venter研究所Yanbao Yu (现就职特拉华大学),吉林大学朱守俊教授以及新加坡国立大学陈小元教授为该论文的共同通讯作者。公共卫生学院硕士生冯鑫、魏龙、代道国等参与了部分研究工作。该研究得到国家自然科学基金和公司“南强青年拔尖人才支持计划”等经费支持。

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(公共卫生学院)


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