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細胞內各類代謝物在生命活動中起著至關重要的作用，對細胞內代謝物的監(jiān)測可以為代謝研究、臨床診斷及治療提供有力的工具。然而，活細胞內的代謝物呈現高度的時空動態(tài)分布，它們往往需要在正確的時間和空間以正確的數量才能行使其生理功能，這為細胞內代謝物的監(jiān)測帶來了極大的挑戰(zhàn)。此前，基于熒光蛋白的遺傳編碼熒光探針已被廣泛用于活細胞內代謝物的實時監(jiān)測。然而，由于能夠特異性結合靶標并在靶標結合時發(fā)生較大構象變化的變構蛋白數量十分有限，熒光蛋白探針的底物選擇范圍有限，無法實現對許多關鍵代謝物的實時監(jiān)測。此外，絕大多數高性能熒光蛋白探針都是黃綠色的，這也一定程度上限制了其在多色標記與活體成像中的應用。近年來，基于熒光RNA開發(fā)的遺傳編碼熒光探針為活細胞代謝監(jiān)測帶來新的機遇。識別特定靶標代謝分子的RNA適配體可以通過體外篩選得到，核糖開關中還存在許多天然的適配體。理論上，針對任何代謝物小分子或者蛋白等大分子，基于熒光 RNA 技術都可能發(fā)展出相應的傳感器，這有助于突破現有傳感器種類缺乏多樣性的限制，大大擴展傳感器的應用領域

在本研究中，研究團隊基于此前發(fā)展的高性能熒光RNA（Pepper）發(fā)展了一系列可特異性識別不同小分子代謝物與蛋白質的遺傳編碼熒光探針。與此前開發(fā)的熒光RNA探針相比，Pepper熒光RNA探針表現出諸多優(yōu)勢。首先，由于不含G-四鏈體結構，Pepper熒光RNA探針在哺乳動物細胞中顯示出更高的折疊效率和細胞亮度。其次，與此前報道的波長最長的Red Broccoli探針（590 nm）相比，Pepper熒光RNA探針的最大發(fā)射波長顯著紅移，可達620 nm。最后，不同顏色的HBC染料都能用于Pepper熒光RNA探針的標記與成像，使得Pepper熒光RNA探針具有良好的適配性，能夠與不同顏色的其他成像工具進行組合使用。

上述性質使得Pepper熒光RNA探針能夠對哺乳動物細胞內靶標分子的濃度與位置變化進行實時監(jiān)測。研究團隊利用Pepper-SAM探針實現藥物刺激下活細胞中SAM水平動態(tài)變化的實時標記與成像，還利用Pepper-MCP探針實現光遺傳學技術操縱的蛋白質易位的實時監(jiān)測。此外，通過將Pepper熒光RNA探針融合到sgRNA支架中，研究團隊利用CRISPR展示技術實現MCP蛋白分子熒光檢測信號的放大。綜上，基于Pepper的系列熒光RNA探針為生命科學基礎研究與疾病機理解析提供極具價值的實用工具。

該論文第一作者為方夢悅博士、李慧文博士與謝鑫博士，通訊作者為楊弋教授和陳顯軍教授。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、上海市細胞代謝光遺傳學技術前沿科學研究基地、生物反應器工程國家重點實驗室基金等經費資助。

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566323003536?via%3Dihub