近日，威廉希尔、生物反应器工程国家重点实验室、光遗传学与合成生物学交叉学科研究中心杨弋教授团队在遗传编码荧光RNA探针研究中取得重要进展，在国际学术期刊《Biosensors and Bioelectronics》发表题为“Imaging intracellular metabolite and protein changes in live mammalian cells with bright fluorescent RNA-based genetically encoded sensors”的研究文章。

细胞内各类代谢物在生命活动中起着至关重要的作用，对细胞内代谢物的监测可以为代谢研究、临床诊断及治疗提供有力的工具。然而，活细胞内的代谢物呈现高度的时空动态分布，它们往往需要在正确的时间和空间以正确的数量才能行使其生理功能，这为细胞内代谢物的监测带来了极大的挑战。此前，基于荧光蛋白的遗传编码荧光探针已被广泛用于活细胞内代谢物的实时监测。然而，由于能够特异性结合靶标并在靶标结合时发生较大构象变化的变构蛋白数量十分有限，荧光蛋白探针的底物选择范围有限，无法实现对许多关键代谢物的实时监测。此外，绝大多数高性能荧光蛋白探针都是黄绿色的，这也一定程度上限制了其在多色标记与活体成像中的应用。近年来，基于荧光RNA开发的遗传编码荧光探针为活细胞代谢监测带来新的机遇。识别特定靶标代谢分子的RNA适配体可以通过体外筛选得到，核糖开关中还存在许多天然的适配体。理论上，针对任何代谢物小分子或者蛋白等大分子，基于荧光 RNA 技术都可能发展出相应的传感器，这有助于突破现有传感器种类缺乏多样性的限制，大大扩展传感器的应用领域

在本研究中，研究团队基于此前发展的高性能荧光RNA（Pepper）发展了一系列可特异性识别不同小分子代谢物与蛋白质的遗传编码荧光探针。与此前开发的荧光RNA探针相比，Pepper荧光RNA探针表现出诸多优势。首先，由于不含G-四链体结构，Pepper荧光RNA探针在哺乳动物细胞中显示出更高的折叠效率和细胞亮度。其次，与此前报道的波长最长的Red Broccoli探针（590 nm）相比，Pepper荧光RNA探针的最大发射波长显著红移，可达620 nm。最后，不同颜色的HBC染料都能用于Pepper荧光RNA探针的标记与成像，使得Pepper荧光RNA探针具有良好的适配性，能够与不同颜色的其他成像工具进行组合使用。

上述性质使得Pepper荧光RNA探针能够对哺乳动物细胞内靶标分子的浓度与位置变化进行实时监测。研究团队利用Pepper-SAM探针实现药物刺激下活细胞中SAM水平动态变化的实时标记与成像，还利用Pepper-MCP探针实现光遗传学技术操纵的蛋白质易位的实时监测。此外，通过将Pepper荧光RNA探针融合到sgRNA支架中，研究团队利用CRISPR展示技术实现MCP蛋白分子荧光检测信号的放大。综上，基于Pepper的系列荧光RNA探针为生命科学基础研究与疾病机理解析提供极具价值的实用工具。

该论文第一作者为方梦悦博士、李慧文博士与谢鑫博士，通讯作者为杨弋教授和陈显军教授。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市细胞代谢光遗传学技术前沿科学研究基地、生物反应器工程国家重点实验室基金等经费资助。

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