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上海交大朱麟勇团队与合作者在Nature Chemical Biology发表活细胞RNA荧光成像技术的新进展
发布时间:2024-05-26 09:22:49

作为遗传物质的传递者,RNA复杂的生物学功能与生命健康息息相关,一旦其出现功能障碍,就会直接或间接导致许多疾病的发生。因此,为深入了解RNA的功能并阐明它们与疾病的关联,对其进行标记与成像已成为不可或缺的手段。在众多RNA标记与成像方法中,荧光RNA技术是近期发展的一种新技术:通过一段可基因编辑的RNA序列(RNA适配体)与目标RNA共表达,随后添加染料分子,使其与RNA适配体特异性结合并激活荧光,从而实现目标RNA的标记与成像。由于该方法具有操作简单、对靶标RNA干扰小以及信噪比高等优点,结合荧光染料种类多、光谱可调、光学性质优异等特点,因此在活细胞RNA成像与功能研究方面具有广阔的应用前景。尽管当前基于染料分子已经获得了系列多光谱的荧光RNA,但作为应用范围最广和仪器匹配度的绿色荧光RNA仍然存在细胞亮度低、光稳定性差问题,限制了它们在活细胞中的应用。

针对以上问题,北斗棋牌送6元救济金朱麟勇团队从荧光成像技术的核心——荧光染料设计——出发,基于染料结构设计解决RNA成像荧光亮度低和光稳定性差的问题,从而实现RNA的长时间动态追踪。该技术有望为活细胞层面RNA长时间成像和动态追踪提供技术支撑,推动对RNA参与生理过程的认知。相关成果以“Imaging the dynamics of messenger RNA with a bright and stable green fluorescent RNA”发表于《Nature Chemical Biology》。论文第一作者为左方婷博士、蒋丽博士苏倪博士。通讯作者为陈显军教授、朱麟勇教授和杨弋教授。这是该研究团队继去年九月份在《Nature Methods期刊上报道荧光RNA成像技术以来的又一个突破性进展。

 

 

RNA拥有复杂的空间分布和动态轨迹,通常RNA从产生到降解需要经历一系列过程在不同时期执行不的功能,因此对RNA的长时间动态追踪对于深入了解RNA功能尤为重要。从探针设计角度看,RNA的长时间动态追踪要求探针一方面具有高的荧光亮度,便于在成像时采集更多的信号,避免伪影;另一方面要求探针具有优异的光稳定性,保证探针在长时间照射时不会发生光漂白而导致荧光强度下降。然而,当前绿色波段的荧光RNA,由于其所结合的荧光团在光照条件下会迅速发生光致异构从荧光RNA复合物中解离下来,从而导致在RNA成像时存在荧光亮度低和光稳定性差的问题。这种低亮度和弱光稳定的问题往往导致在RNA成像时只能是以照片的方式记录RNA的定位和分布,不能以视频的方式记录RNA执行功能的整个过程。

研究团队发现:当探针被RNA的三级结构完全包裹后,探针与RNA通过范德华力、π-π堆积、氢键等相互作用紧密结合。这种紧密结合一方面提高RNA与探针的亲和力,从而提高荧光RNA的荧光亮度;另一方面能抑制染料分子的光致异构,提高荧光RNA的光稳定性。因此,设计探针使其能被RNA适配体完全包裹并产生强相互作用,就有望提高荧光RNA的亮度和光稳定性。基于,团队将探针的生色团部分设计成平面刚性结构,并在助色团的部分引入与RNA能形成强氢键相互作用的柔性链,获得了ACE分子(图1)。ACE “刚柔并济的分子设计可以促使探针的生色团部分在与RNA结合时能很快被包住并产生强的π-π堆积作用具有氢键供受体的柔性链能进一步通过氢键相互作用将生色团RNA的结合口袋中并进一步增强RNA与探针的相互作用。团队验证了ACERNA适配体结合后产生强的绿色荧光,其在细胞中的荧光亮度与此前报道的其绿色荧光RNA相比,高出一个数量级。在光稳定性方面,ACERNA结合后也展示出优异的光稳定性,其在长时间(120 s)连续光照的条件下,其荧光强度仍可保留初始荧光的90%以上,而当前报道的其绿色荧光RNA在相同的条件下仅照射30 s则荧光迅速降低甚至消失(图1)。

 

1 基于ACE开发的绿色荧光RNA在细胞中的荧光亮度和光稳定性质表征

 

基于该探针具备的高荧光亮度和强光稳定性,研究团队探究将其用于RNA超分辨荧光成像方面的研究。通过将该探针与团队之前报道的红色荧光RNA联合使用,成功实现了活细胞中两个mRNA的双色超分辨荧光成像。此外,为了进一步展示该类探针在长时间RNA动态追踪方面的优势,团队将其用于成像哺乳动物细胞内应激颗粒的形成及解聚过程,并成功观察到应激颗粒的产生以及由小到大的融合过程,成功揭示了ATP能量对应激颗粒的形成、运输和解聚过的重要性(图2)。

 

2 基于绿色荧光RNA的双色超分辨成像和对应激颗粒的长时间动态追踪

 

综上,此次该团队报道的绿色荧光RNA探针是目前最亮、最稳定的绿色荧光RNA探针,填补了活细胞单色或多色RNA成像中明亮稳定绿色荧光RNA探针的空缺,将为RNA复杂生物学功能与调控机制研究提供极具价值的实用工具,有望为活细胞生物传感、即时诊断甚至实时诊断技术的发展提供新的机遇。

 

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41589-024-01629-x

供稿单位:科研与学科办 

作者:蒋丽

审核:丁显廷

 

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