设计合成环丙烯/S-四嗪探针对用于活细胞核酸标记

Cell is the basic unit of life, depth studies of cell activity are one of the frontiers of biological research. The major life activities of cell were controlled by nucleic acid, we could therefore analyze the cell proliferation, differentiation, senescence, apoptosis and further understand the metabolism of the whole organism by tracking the changes of intracellular nucleic acid. Three kinds of probes were applied to label nucleic acid in live cells: isotope probe, immune recognition probe and bioorthogonal probe. Comparing with isotope and immune recognition probes, the existing bioorthogonal probes do not need long time, the quality of picture as well as the repeatability of results are better, but their slow kinetics, need wash step between staining and imaging prevent them from imaging live cells in real-time fashion. Cyclopropene/S-tetrazine probes were developed in recent years, their kinetics are faster and the fluorogenic probes are available, have been successfully used in labeling lipids, glycans and proteins so far. The inherent advantages make them very suitable for tracking nucleic acid in real time fashion. This project intends to design and synthesis of cyclopropene nucleoside/near-infrared fluorogenic S-tetrazine probes for labeling nucleic acid in live cells. The role and function study of nucleic acid in life will be promoted by successful implement this project.

细胞是组成生命体的基本单位，对细胞活动的深入研究是生物学研究的前沿领域之一。细胞的主要生命活动通过核酸进行调控，观察细胞内核酸的变化可分析细胞的增殖、分化、衰老和凋亡的状况，进一步可研究整个生物体的代谢。检测细胞内核酸变化的探针主要有三种：同位素探针、免疫识别探针和生物正交反应探针。与同位素探针和免疫识别探针相比，现有的生物正交探针具有实验时间短、图片质量和结果重现性好的优点，但染色和成像之间需要清洗步骤及较慢的反应动力学远达不到实时成像的要求。环丙烯/S-四嗪是近年发展的一种反应速度快、能实现原位产生荧光的探针对，已被成功用于脂、糖和蛋白质的标记。该探针对的先天优势使其非常适合于核酸的实时标记。本项目拟设计合成环丙烯核苷/原位产生近红外荧光的S-四嗪探针对用于活细胞核酸标记，该项目顺利实施可进一步推动人类对生命体内核酸作用和功能的研究。

环丙烯/S-四嗪是近年发展的一种反应速度快、能实现原位产生荧光的探针对，已被成功用于脂、糖和蛋白质的标记。该探针对的先天优势使其非常适合于核酸的实时标记。基于此，我们拟设计合成环丙烯核苷/原位产生近红外荧光的S-四嗪探针对用于活细胞核酸标记。.本项目取得的主要研究成果及其应用价值和科学意义如下：.（1）发展了新的环丙烯合成方法解决了甲基环丙在实际应用中难以合成的瓶颈问题，该方法的发展进一步推动了甲基环丙烯作为小尺寸、高反应活性的生物正交接头在生物正交标记、抗体偶联药物研发领域的广泛应用。利用该方法我们合成得到了甲基环丙烯标记的酪氨酸、5-羟色胺酸、苯丙胺酸、尿嘧啶核苷、腺嘌呤核苷和鸟嘌呤核苷。初步生物实验表明，甲基环丙烯标记的酪氨酸能成功的用于蛋白质标记，而对于甲基环丙烯标记的核苷酸，由于实验条件限制，目前尚不能明确它们不能被核酸聚合酶所识别。.（2）发展了发射波长处于红光区、具有高达 2000 倍 “turn on” 倍数的四嗪-BODIPY 探针骨架，无洗涤条件下的活细胞标记实验表明该类探针具有非常小的荧光背景，能获得清晰的细胞标记图片。目前研究的缺陷是没有找一个非常特别的应用场景来体现我们的探针相对于其它探针的优越性。在后续的研究中，我们希望通过与其它课题组的合作来研究它们的使用，希望将该类探针开发成商业化的荧光探针。.（3）设计合成了在花箐染料假吲哚 1-位、5-位和共轭双烯上具有四嗪取代的花箐-四嗪染料，结合计算化学与这几个染料的光物理性质实验数据，提出了荧光发色团亮态能级与四嗪部分暗态能级的概念，并根据计算结果指出四嗪可能对发射波长大于 710 nm 的荧光染料几乎没有淬灭的效果，该结果对 “turn on” 类四嗪荧光探针的合成具有指导意义。.（4）发展了电氯代反应合成 3,5-位氯代的 BODIPY。由于有机电合成本身是一种绿色的合成方法，且该方法可通过发散合成的方式合成多种商业染料，因而具有较好的商业应用价值。