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中山大學(xué)戴宗/潘逸航/許宇智團隊JACS:核酸適體變構(gòu)型探針實現(xiàn)m6A去甲基化酶FTO的無延時成像分析

來源:中山大學(xué)      2024-12-17
導(dǎo)讀:N6-甲基腺苷(m6A)是一個復(fù)雜且動態(tài)可逆的過程,作為哺乳動物mRNA內(nèi)部甲基化修飾的主要形式,受到甲基轉(zhuǎn)移酶(writers)、去甲基化酶(erasers)和甲基化閱讀蛋白(readers)的共同調(diào)控,具有重要的生物學(xué)功能。脂肪量和肥胖相關(guān)蛋白(fat mass and obesity-associated protein,F(xiàn)TO)是第一個被發(fā)現(xiàn)的m6A去甲基化酶,其與多種疾病和癌癥的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。實現(xiàn)FTO的全面分析,對于明確其生物學(xué)功能、分子基礎(chǔ)、診斷及治療潛力至關(guān)重要。

正文

然而,FTO具有高度的細(xì)胞環(huán)境復(fù)雜性,其在不同細(xì)胞、組織中的表達(dá)水平以及亞細(xì)胞定位差異較大,并且不同環(huán)境刺激會導(dǎo)致FTO的亞細(xì)胞定位發(fā)生動態(tài)變化,影響著FTO的功能發(fā)揮,導(dǎo)致體外實驗無法完全模擬在細(xì)胞環(huán)境中FTO的真實狀態(tài)。因此,亟需開發(fā)一種新型探針,在活細(xì)胞和活體層面對FTO進(jìn)行動態(tài)、準(zhǔn)確的成像分析。

近日,中山大學(xué)的戴宗/潘逸航/許宇智團隊首次提出了一種計算機輔助篩選的、去甲基化可變構(gòu)的適配體探針設(shè)計DSA-m6A sensor,實現(xiàn)了m6A去甲基化酶FTO的單細(xì)胞、3D腫瘤球和活體層面的無延時成像分析以及抑制劑篩選。該設(shè)計由m6A修飾適配體序列(Aptamer)、與適配體部分互補的封閉模塊Blocker以及基于poly-T連接模塊(Linker三個模塊組成,兩端分別標(biāo)記熒光基團與淬滅基團形成分子信標(biāo)結(jié)構(gòu)。該設(shè)計將“分子識別”、“相互作用”和“信號輸出”三個部分高度集成到單個DNA分子開關(guān)中,形成通用型并且可定制的成像平臺。

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作為概念驗證,以“能量通貨”三磷酸腺苷(ATP)的適配體序列作為構(gòu)建DSA-m6AAptamer模塊。特異性位點的m6A修飾可高效抑制ATP適配體的活性,首先利用計算機輔助方式對潛在的m6A修飾位點進(jìn)行高效篩選,模擬結(jié)果表明,ATP適配體的A10位點的m6A甲基化會導(dǎo)致ATP結(jié)合結(jié)構(gòu)域的錯誤折疊并削弱分子間作用力,從而導(dǎo)致適配體的結(jié)合活性顯著降低。根據(jù)計算機篩選結(jié)果構(gòu)建DSA-m6A10傳感器,與無m6A修飾的wt-DSA相比DSA-m6A10ATP配體的結(jié)合能力下降約90%。隨后通過FTO介導(dǎo)的去甲基化作用,恢復(fù)原有的結(jié)合活性,實現(xiàn)將近10倍的熒光信號恢復(fù)。該傳感器由FTO激活后可以被0.5 mmol/L ATP(細(xì)胞內(nèi)ATP濃度為0.5 5 mmol/L1.64秒內(nèi)快速驅(qū)動,有望實現(xiàn)無延時的FTO酶活性分析。

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該傳感器被應(yīng)用于FTO的體外靈敏檢測和FTO抑制劑的高效篩選。其簡單的“一鍋法”步驟有望實現(xiàn)高通量的抑制劑篩選。此外,該傳感器還成功地應(yīng)用于單一細(xì)胞內(nèi)完整的FTO核質(zhì)異位過程的動態(tài)示蹤,提供了單個細(xì)胞里FTO的時空分布信息,有助于研究FTO空間調(diào)控的分子基礎(chǔ)。進(jìn)一步利用微流控液滴技術(shù)構(gòu)建了仿生異質(zhì)型的3D細(xì)胞球模型,該模型由高侵襲性的乳腺癌細(xì)胞與正常乳腺細(xì)胞在GelMA水凝膠中混合形成。成像結(jié)果表明,該傳感器的熒光信號3D細(xì)胞球模型中與癌細(xì)胞高度定位,能夠清晰區(qū)分癌細(xì)胞與正常細(xì)胞。最后,該傳感器被應(yīng)用于乳腺癌MCF-7皮下荷瘤小鼠的FTO酶活性成像,實現(xiàn)首例FTO酶活性的活體成像研究。

與以往所報道的熒光RNA適配體或金屬離子驅(qū)動的DNAzymeCRISPR系統(tǒng)相比,以“能量通貨”ATP驅(qū)動的DSA-m6A10具有以下優(yōu)點:1Lag-free無延時的傳感過程,其快速的動力學(xué)響應(yīng)能夠在活細(xì)胞、活體中實時、準(zhǔn)確示蹤FTO的動態(tài)變化;2Self-sufficient 自給自足型傳感器,無須額外添加外源物質(zhì),不會改變微環(huán)境,能夠呈現(xiàn)FTO的自然狀態(tài);3Highly-integrated高度集成化的模塊設(shè)計,理論上適用于任何DNA適配體和任一能夠抑制適配體活性的表觀修飾。這種簡單而通用的傳感策略將為RNA去甲基化的基礎(chǔ)研究、臨床診斷、藥物開發(fā)等提供一個有應(yīng)用前景的工具,同時也為發(fā)展活體內(nèi)其他表觀遺傳關(guān)鍵酶的動態(tài)成像分析提供新穎性的思路和通用的平臺。

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這一成果近期發(fā)表在Journal of the American Chemical Society上,并申請中國發(fā)明專利一項。文章的通訊作者為中山大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院戴宗教授以及中山大學(xué)附屬第七醫(yī)院的潘逸航教授、許宇智助理研究員,第一作者為中山大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院博士研究生施亞坤。研究成果得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省傳感技術(shù)與生物醫(yī)療儀器重點實驗室、深圳市醫(yī)學(xué)研究專項資金、深圳市科技計劃項目及廣東省自然科學(xué)基金等項目資金的支持。

文獻(xiàn)詳情:

A Demethylation Switchable Aptamer Design Enables Lag Free Monitoring of m6A Demethylase FTO with Energy Self Sufficient and Structurally Integrated Features 
Yakun Shi, Yutian Lei, Meng Chen, Hansu Ma, Taorong Shen, Yanfei Zhang, Xing Huang, Wanxuan Ling, Si-Yang Liu, Yihang Pan,* Zong Dai,* Yuzhi Xu*
J. Am. Chem. Soc. 2024
https://doi.org/10.1021/jacs.4c12884

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