非天然荧光核酸探针用于活细胞内重要组分传感与成像的研究

Nucleic acid probes (NAPs) have found wide applications in sensing and imaging of various important components in vivo. However, due to nuclease degradation and protein binding, traditional NAPs may generate false positive signals when used in living cells. In order to overcome this problem, this proposal would like to choose mirror-image oligonucleotides, also known as L-DNAs, and develop a series of L-DNA-based NAPs (L-NAPs), which combine full biocompatibility and resistance to signal interference with simple, rapid, stable, and accurate target sensing in living cells. As a proof of concept, by employing natural or artificial selected functional oligonucleotides such as G-quadruplex, i-motif and DNAzyme, we will firstly design L-NAPs for detection of potassium ion, pH, and heavy metal ion in vitro respectively. Then L-NAPs will be used in vivo to map spatial and temporal target changes. This project is expected to develop a series of L-NAPs for simple, rapid, stable, and accurate important components sensing in living cells, and propose a straightforward analytical method for real-time monitoring of living body in molecular level.

核酸探针已被广泛应用于生物体内各种生物、化学物质的传感和成像。然而，由于复杂的生理环境，核酸分子在细胞内易被降解、产生假阳性信号。本项目利用天然DNA（D-DNA）的对映异构体：L-DNA能够抵抗核酸酶降解、不与蛋白质非特异性结合等性能，拟发展一系列设计简单、响应快速、能够稳定存在于细胞环境并准确报告细胞内重要组分物质的L-DNA荧光核酸探针。首先，借助G-quadruplex、i-motif、DNAzyme等天然或人工筛选的特殊DNA结构对目标物的特异性识别能力，设计并构建检测钾离子、pH值、重金属离子的L-DNA传感器；在此基础上，将其用于生物体内目标物的实时监测及时空变化分析。研究项目预期建立一系列高稳定、高灵敏、高选择性的L-DNA传感器用于细胞内重要组分监测，为从分子水平上对生命体的实时监控提供最直接的分析手段。

核酸探针已被广泛应用于生物体内各种生物、化学物质的传感和成像。然而，由于复杂的生理环境，核酸分子在细胞内易被降解、产生假阳性信号。本项目利用天然DNA（D-DNA）的对映异构体：L-DNA能够抵抗核酸酶降解、不与蛋白质非特异性结合等性能，发展了一系列设计简单、响应快速、能够稳定存在于复杂环境并准确报告细胞内或环境中目标物的L-DNA荧光核酸探针。包括：1.以报道的铜离子特异性的D-DNAzyme为模板，合成并研究了对铜离子特异性响应的L-DNAzyme，证明在铜离子存在时，L-DNAzyme具有与D-DNAzyme相同的催化活性，同时，相比于D-DNzyme，L-DNAzyme能够稳定存在于生物基质，因此被用于细胞内铜离子成像研究。2.采用同样的方案，设计合成了对铅离子特异性响应的，生物稳定性的L-DNAzyme，并将其用于水环境中铅离子的检测。3.基于现存的非手性小分子核酸适配体，合成了相应的左旋核酸适配体，验证了其对小分子的识别能力及生物稳定性。在此，我们以孔雀石绿为目标物，基于孔雀石绿与其左旋RNA核酸适配体结合能产生强荧光现象，构建了一种非标记荧光增强“turn-on”型核酸探针用于孔雀石绿的检测。4.利用富T序列对汞离子的特异性识别作用和富C序列对银离子的特异性识别作用，分别构建了对汞离子和银离子进行检测的左旋核酸荧光探针。证明了它们分别对于汞离子和银离子的特异性识别作用及生物稳定性，并将其应用于水环境中汞离子和银离子的检测。5.设计并合成了L-G-quadruplex荧光传感器用于活细胞内钾离子的检测与成像， L-G-quadruplex荧光传感器克服了D-G-quadruplex的诸多缺点，将其应用于细胞内钾离子成像时体现了优良的性能。.我们的研究在分子水平上对生命体的实时监控提供了最直接的分析手段，另一方面，为环境卫生、食品安全提供了有效的检测出方法。