基因編碼的熒光傳感器可以在單細胞水平追蹤代謝物、蛋白質或重金屬離子等細胞內靶標的豐度變化和動力學分布，并解析活細胞的生理過程和信號傳導通路。7月24日，《核酸研究》(Nucleic Acids Research)在線發表了中國科學院北京生命科學研究院李幸團隊撰寫的題為Genetically encoded RNA-based sensors with Pepper fluorogenic aptamer的研究論文。該團隊開發了一類基因編碼的新型熒光RNA傳感器。該傳感器能夠在活細胞中監測代謝物、外源藥物、蛋白與金屬離子等靶標，展現出高通量、高內涵藥物篩選的潛力。
 

　　傳統的基因編碼傳感器由熒光蛋白和結合靶標的蛋白模塊組成。然而，由于多數靶標缺乏對應的蛋白模塊，科學家難以構建基于熒光蛋白的傳感器。此外，基于熒光蛋白的傳感器還有信噪比低等缺陷，限制了熒光蛋白傳感器的應用。
 

　　近年來，基于熒光RNA的傳感器發展迅速。熒光RNA傳感器由熒光RNA與結合靶標的RNA模塊組成。二者通過一個短莖連接。該短莖稱為傳導模塊(transducer module)，其熱力學穩定性由靶標識別適配體調節。靶標與結合靶標的RNA模塊結合，誘導RNA構象變化，調控熒光RNA適配體的熒光強度，從而檢測靶標信號，解析其在活細胞中的信號通路。然而，這些熒光RNA傳感器通常含有RNA G四鏈體(RG4)結構。RG4結構可被活細胞解旋酶靶向，導致RNA的解旋或降解，故限制了含RG4的熒光RNA傳感器在活細胞中的應用。
 

　　為此，李幸團隊通過系列實驗設計，研發了不包括RG4的熒光RNA傳感器。研究選擇使用了Pepper熒光適配體。Pepper不含RG4結構，避免了被細胞酶降解或解旋。此外，Pepper亮度高、穩定性強，并能夠結合不同小分子探針產生不同顏色的熒光。基于此，李幸團隊開發了一系列基于Pepper的生物傳感器。進一步，實驗表明這些傳感器不包含RG4結構，并可以高效監測活細胞中的內源小分子代謝物、外源藥物、蛋白質和金屬離子等多種靶標。該研究發展的基于RNA傳感器率先用于檢測人體細胞內的金屬離子，為探索人體活細胞金屬離子提供了新型基因編碼工具(圖1)。
 

　　該團隊基于Pepper的生物傳感器，探討了甲基化代謝物S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosyl methionine，SAM)代謝通路，測定了靶標藥物活性。研究將Pepper與SAM適配體融合，構建出低背景、高響應、高選擇性的SAM傳感器。進一步，該工作探究了單細胞中SAM合成的代謝來源，解析了SAM合成酶(methionine adenosyltransferase，MATase)的酶活性和基因表達水平。此外，該工作還構建了監測SAM的比率傳感器。該傳感器精確定量了MATase的酶活性，并準確測定了MATase抑制劑AG-270的半抑制濃度(IC50)。該工作首次發展熒光RNA傳感器來準確測定活細胞中的藥物IC50，為研發基于RNA的藥物篩選平臺驗證了可行性，并提供了高效的MATase酶藥物篩選工具(圖2)。
 

　　該團隊為追蹤活細胞內靶標及其信號傳導途徑提供了高效的生物傳感平臺，在藥物篩選和疾病診斷等領域具有潛在的應用價值。研究工作得到國家自然科學基金等的支持。
 

　　圖1.?將Pepper改造為高性能熒光RNA傳感器，檢測細胞內靶標，監測細胞甲基化代謝通路與藥物活性
 

　　圖2.?構建基于Pepper的比率傳感器，準確測定MATase抑制劑AG-270的半抑制濃度(IC50)