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蘭州大學Anal. Chem.封面文章：多通道熒光探針用于探索線粒體硫化氫在維持極性和線粒體DNA完整性中的作用

來源： 2023-12-01

導讀：2023年11月，蘭州大學化學化工學院張海霞教授（通訊）、蘭州大學動物醫(yī)學與生物安全學院萃英博士后穆帥（一作）等在國際知名期刊《Analytical Chemistry》發(fā)表題為“Exploring the Role of Mitochondrial Hydrogen Sulfide in Maintaining Polarity and mtDNA Integrity with a Multichannel Fluorescent Probe” 的研究性論文，被評為封面文章。文章鏈接DOI：10.1021/acs.analchem.3c03663

正文

本研究設計合成了一種針對線粒體的多通道熒光探針HNA，可以級聯檢測H₂S和極性，同時檢測mtDNA。HNA是一種具有D-π-A結構的線性分子，由于缺乏剛性結構約束，扭曲分子內電荷轉移（TICT）效應導致HNA的熒光發(fā)射幾乎可以忽略不計。當HNA與DNA通過與溝槽相互作用緊密結合時，限制了其自由旋轉，觀察到明顯增強的紅色熒光。HNA利用經典的疊氮基團作為H₂S的反應位點，當H₂S將疊氮基團還原為氨基時，HNA發(fā)生自毀反應并釋放產物HNAP，呈現橙紅色熒光發(fā)射。由于ICT效應的存在，產物HNAP對環(huán)境極性表現出敏感性。環(huán)境極性降低會導致HNAP橙紅色熒光發(fā)射向綠色發(fā)生藍移。

利用HNA探針闡明了內源性H₂S對線粒體極性、mtDNA相互作用以及調節(jié)和保護受損線粒體在活細胞中的影響，實現了監(jiān)測從受損線粒體釋放的mtDNA，證實了H₂S保護mtDNA完整性并減輕炎癥反應的能力。該研究也為線粒體極性和mtDNA動態(tài)變化提供了可靠的工具，并為了解其病理和治療機制提供了新的見解。

圖1. 多功能熒光探針HNA，用于H₂S、極性和mtDNA的檢測

（圖片來源：Anal. Chem.）

圖2. （A）探針HNA與不同濃度的H₂S反應后的熒光發(fā)射光譜。（B）熒光強度與H₂S濃度之間的線性關系。（C）（D）探針HNA對H₂S的選擇性。

（圖片來源：Anal. Chem.）

圖3. （A）不同溶劑中HNAP（10 μM）的熒光發(fā)射光譜。（B）在365 nm紫外光下，HNAP在不同溶劑中的熒光變化。（C）熒光強度（紅線）或最大發(fā)射波長（藍線）與ET(30)之間的關系。

（圖片來源：Anal. Chem.）

圖4. （A）HNA和DNA之間的分子對接。（B）DNA與HNA的圓二色譜及271 nm處變化。

（圖片來源：Anal. Chem.）

圖5. （A）HepG2細胞經過LPS處理以及LPS和AP39共同處理后，使用HNA進行熒光成像。(B) 圖中圖像的平均熒光強度。(C) 線粒體H₂S供體AP39。

（圖片來源：Anal. Chem.）

圖6. （A）HepG2細胞用HNA和Mito?tracker Green孵育作為對照；先用AZT預處理，然后加入HNA和Mito?tracker Green；先用LAM預處理，然后加入HNA和Mito?tracker Green；先用AZT和AP39預處理，然后加入HNA和Mito?tracker Green；先用LAM和AP39預處理，然后加入HNA和Mito?tracker Green；

比例尺：20 μm。（B）通過Western blot分析超氧化物歧化酶2（SOD2）的變化。（C）不同藥物處理對細胞中TNF?α、IL?6和IL?10表達的影響。*P < 0.05，**P< 0.01，與對照組相比。

（圖片來源：Anal. Chem.）

總結

張海霞團隊設計了線粒體靶向多通道熒光探針HNA丙用于H₂S和極性的級聯檢測以及線粒體 DNA 的并行檢測。HNA 具有D?π?A 架構，并且由于 TICT效應而表現出可忽略不計的熒光發(fā)射。當與DNA結合時，它在668 nm處顯示出增強的紅色熒光。同時，探針利用疊氮基團作為H₂S的反應位點，轉化為產物HNAP，對H₂S（604 nm）具有60倍的橙紅色熒光增強。此外，HNAP對極性敏感，在極性較小的環(huán)境中會向綠色熒光轉變。利用HNA，首次在不同通道上觀察到 H₂S、極性和mtDNA 的同步可視化，揭示了極性的降低、mtDNA 的損傷以及線粒體損傷過程中H₂S的調節(jié)。值得注意的是，HNA已成功用于監(jiān)測線粒體的mtDNA釋放，這可用于評估線粒體狀態(tài)。這項研究有助于更好地了解H₂S在線粒體生物學和相關疾病中的作用，為受損線粒體提供新的潛在診斷方法和治療策略。

文獻詳情：

Shuai Mu, Taihe Han, Xiaoyun Zhang, Jia Liu, Huipeng Sun, Jinlong Zhang, Xiaoyan Liu, Haixia Zhang*. Exploring the Role of Mitochondrial Hydrogen Sulfide in Maintaining Polarity and mtDNA Integrity with a Multichannel Fluorescent Probe. Anal. Chem. 2023, https://doi.org/10.1021/acs.analchem.3c03663

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