基因编码荧光蛋白传感器已被广泛用于检测细胞内蛋白质和其它的目标分子，但是此类传感器在金属离子的检测的应用较少。现有的策略主要将具有金属离子结合能力的蛋白质或者多肽序列与荧光蛋白相融合，从而构建具有金属离子识别功能的传感器。由于可特异性结合金属离子的蛋白质或多肽的种类较少，并且难以将它们之间的结合作用转化为荧光信号的变化。

脱氧核酶（DNAzymes）指的是一类通过体外筛选获得的具有催化功能的DNA分子，可在特定金属离子作为辅酶因子的情况下特异性地切割RNA底物。目前，已获得多种具有金属离子特异性的脱氧核酶，并被广泛地用于环境和生物体中金属离子检测，例如 Mg2+、Zn2+、UO22+、Pb2+、Ag+和 Na+等。因此，利用脱氧核酶识别范围广的优势，有希望改善基因编码传感器在金属离子检测中的不足。

伊利诺伊大学-香槟分校（UIUC）陆艺（Yi Lu）教授（点击查看介绍）课题组在脱氧核酶筛选及应用中做了大量的基础研究工作。最近他们与本课题组张晓兵教授（点击查看介绍）课题组合作，提出利用具有金属离子特异性的脱氧核酶调控荧光蛋白的表达，构建新型的比率型金属离子荧光传感器。这里采用具有Mg2+或Zn2+特异性的脱氧核酶，在相应金属离子存在下剪切细胞中绿色荧光蛋白的mRNA，从而抑制绿色荧光蛋白的表达，引起荧光信号的变化（图1）。该策略具有通用性，可用于多种金属离子的检测，从而扩大基因编码的荧光蛋白传感器的金属离子检测范围。

图1. 脱氧核酶介导的基因编码传感器用于活细胞内离子成像。

通过优化脱氧核酶与目标RNA的结合序列，这里获得了具有较高多重切割活性的10-23 DNAzyme。将其应用于绿色荧光蛋白和红色荧光蛋白双表达的细胞中，可观察到绿色荧光信号随着离子浓度的升高而明显减弱，红色荧光则无明显变化，呈现出比率型荧光信号（图2）。

图2. 脱氧核酶工作原理及其序列优化；活细胞内离子比率型成像效果。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是湖南大学博士研究生熊梦仪和伊利诺伊大学-香槟分校博士研究生Zhenglin Yang（杨正林）。