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細(xì)胞內(nèi)各類代謝物在生命活動中起著至關(guān)重要的作用，對細(xì)胞內(nèi)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(xì)胞內(nèi)的代謝物呈現(xiàn)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(shù)量才能行使其生理功能，這為細(xì)胞內(nèi)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(xì)胞內(nèi)代謝物的實時監(jiān)測。然而，由于能夠特異性結(jié)合靶標(biāo)并在靶標(biāo)結(jié)合時發(fā)生較大構(gòu)象變化的變構(gòu)蛋白數(shù)量十分有限，熒光蛋白探針的底物選擇范圍有限，無法實現(xiàn)對許多關(guān)鍵代謝物的實時監(jiān)測。此外，絕大多數(shù)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(biāo)記與活體成像中的應(yīng)用。近年來，基于熒光RNA開發(fā)的遺傳編碼熒光探針為活細(xì)胞代謝監(jiān)測帶來新的機遇。識別特定靶標(biāo)代謝分子的RNA適配體可以通過體外篩選得到，核糖開關(guān)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(shù)都可能發(fā)展出相應(yīng)的傳感器，這有助于突破現(xiàn)有傳感器種類缺乏多樣性的限制，大大擴展傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域

在本研究中，研究團(tuán)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(zhì)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(xiàn)出諸多優(yōu)勢。首先，由于不含G-四鏈體結(jié)構(gòu)，Pepper熒光RNA探針在哺乳動物細(xì)胞中顯示出更高的折疊效率和細(xì)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(dá)620 nm。最后，不同顏色的HBC染料都能用于Pepper熒光RNA探針的標(biāo)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(jìn)行組合使用。

上述性質(zhì)使得Pepper熒光RNA探針能夠?qū)Σ溉閯游锛?xì)胞內(nèi)靶標(biāo)分子的濃度與位置變化進(jìn)行實時監(jiān)測。研究團(tuán)隊利用Pepper-SAM探針實現(xiàn)藥物刺激下活細(xì)胞中SAM水平動態(tài)變化的實時標(biāo)記與成像，還利用Pepper-MCP探針實現(xiàn)光遺傳學(xué)技術(shù)操縱的蛋白質(zhì)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(tuán)隊利用CRISPR展示技術(shù)實現(xiàn)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(xué)基礎(chǔ)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(xué)基金、上海市細(xì)胞代謝光遺傳學(xué)技術(shù)前沿科學(xué)研究基地、生物反應(yīng)器工程國家重點實驗室基金等經(jīng)費資助。

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