发光探针在活人细胞中发现的稀有四重螺旋DNA

四螺旋DNA结构。

新的探针使科学家能够看到四链DNA与活人细胞内的分子相互作用，从而揭示其在细胞过程中的作用。

DNA通常形成缠绕在一起的两条链的经典双螺旋形状。尽管DNA可以在试管中形成一些更奇特的形状，但在实际的活细胞中却很少见到。

“ G-四链体在对生命至关重要的各种过程以及各种疾病中都起着重要作用，但是缺失的环节一直是直接在活细胞中对这种结构进行成像。”—本·刘易斯

但是，最近发现四链DNA被称为G-四链体（G-quadruplex），在人类细胞中自然形成。现在，在《自然通讯》上发表的新研究中，由伦敦帝国学院的科学家领导的一个团队创造了新的探针，可以观察到G四联体如何与活细胞内的其他分子相互作用。

G-四链体在癌细胞中的浓度较高，因此被认为在该疾病中起作用。这些探针揭示了某些蛋白质如何“解开” G-四链体，还可以帮助鉴定与G-四链体结合的分子，从而导致可能破坏其活性的新药物靶标。

大海捞针

帝国理工大学化学系的主要作者之一本·刘易斯说：“不同的DNA形状将对其涉及的所有过程产生巨大影响，例如读取，复制或表达遗传信息。

“越来越多的证据表明，G-四链体在对生命至关重要的各种过程以及各种疾病中都起着重要作用，但缺失的联系一直是直接在活细胞中对这种结构进行成像。”

G-四链体在细胞内很少见，这意味着用于检测此类分子的标准技术很难对其进行特异性检测。本·刘易斯（Ben Lewis）将问题描述为“就像在大海捞针中找到一根针头，但针头也是由干草制成的”。

为了解决这个问题，帝国理工大学化学系的Vilar和Kuimova研究小组与医学研究理事会伦敦医学科学研究所的Vannier研究小组合作。

用新探针染色的活细胞中核DNA的荧光寿命成像显微镜图。颜色表示荧光寿命在9（红色）和13（蓝色）纳秒之间。

他们使用了一种名为DAOTA-M2的化学探针，该探针在存在G四联体的情况下发出荧光（点亮），但他们没有监控荧光的亮度，而是监控了这种荧光持续多长时间。该信号不依赖于探针或G-四链体的浓度，这意味着可以将其用于清晰地观察这些稀有分子。

帝国理工大学化学系的Marina Kuimova博士说：“通过采用这种更为复杂的方法，我们可以消除那些阻碍了开发这种DNA结构可靠探针的困难。”

直接在活细胞中看

该小组使用他们的探针研究G-四链体与两种解旋酶蛋白（“解旋” DNA结构的分子）之间的相互作用。他们表明，如果去除了这些解旋酶蛋白，则会存在更多的G-四链体，表明解旋酶在解链并因此破坏G-四链体中起作用。

“许多研究人员对G四联体结合分子作为癌症等潜在药物的潜力感兴趣。我们的方法将有助于增进我们对这些潜在新药的了解。”—拉蒙·维拉尔（Ramon Vilar）教授

来自MRC伦敦医学科学研究所和帝国理工学院临床科学研究所的Jean-Baptiste Vannier博士说：“过去，我们不得不依靠观察这些解旋酶作用的间接迹象，但现在我们直接在活细胞内观察它们。”

他们还检查了其他分子与活细胞中G四联体相互作用的能力。如果引入细胞的分子与该DNA结构结合，它将取代DAOTA-M2探针并缩短其寿命，即荧光持续多长时间。

这样可以更好地理解在活细胞核内的相互作用，以及更多分子（例如不发荧光且无法在显微镜下看到的分子）的相互作用。

帝国理工大学化学系的拉蒙·维拉尔（Ramon Vilar）教授解释说：“许多研究人员对G四联体结合分子作为癌症等潜在药物的潜力感兴趣。我们的方法将有助于增进我们对这些潜在新药的了解。”

帝国理工学院化学系的另一位主要作者彼得·萨默斯（Peter Summers）说：“这个项目是在化学，生物学和物理学的交叉领域工作的绝佳机会。没有这三个研究小组的专业知识和紧密的工作关系，这是不可能的。”

这三个小组打算继续合作，以改善其探针的性能，并探索新的生物学问题，并进一步阐明G四联体在我们的活细胞中所起的作用。这项研究是由帝国帝国卓越研究基金资助的。

参考：Peter A. Summers，Benjamin W. Lewis，Jorge Gonzalez-Garcia，Rosa M. Porreca，Aaron HM Lim，Paolo Cadinu，Nerea Martin-Pintado和David撰写的“通过荧光寿命成像显微镜在活细胞中可视化G-四链体DNA动力学” J.Mann，Joshua B.Edel，Jean Baptiste Vannier，Marina K.Kuimova和Ramon Vilar，2021年1月8日，自然通讯.DOI：
10.1038 / s41467-020-20414-7