近红外光激发的DNA纳米传感器揭示溶酶体的酸化过程

DNA纳米传感器发展迅速，已广泛应用于生物、化学、环境等领域，尤其对细胞内生理过程的监测有着独特的优势。那么，是否可将DNA纳米传感器应用于溶酶体的酸化过程的探究呢？近日，湖南师范大学的张友玉教授（点击查看介绍）和加拿大滑铁卢大学的刘珏文教授（点击查看介绍）合作，构建了两个基于DNA组装的纳米传感器，并用于溶酶体腔内pH和钾离子（K⁺）的同时成像，以探究溶酶体的酸化问题。

溶酶体需维持酸性pH值才能激活水解酶，参与各种生理过程。溶酶体的酸化依赖于H⁺-ATPase泵入质子，该过程会产生较大的膜电势，抑制进一步的泵入。因此，需要反离子流以中和由质子积累产生的膜电势。目前，关于反离子流中和膜电势的问题仍没有清楚的答案。研究此问题需要同时测量溶酶体内两种离子的浓度，并且解决溶酶体靶向性问题。

为了确保溶酶体靶向，基于纳米颗粒的传感器可以利用内吞机制进入细胞溶酶体内。为了实现两种分析物的同时成像，近红外（NIR）光可激发的上转换纳米颗粒（UCNP）是最优选的纳米材料之一，因为它们可以吸收具有低光毒性的NIR光，耐光漂白，并具有较窄的发射峰。可高度编程的DNA是构建传感器的重要元件，其中，DNA triplex是一种响应pH的三链DNA结构，quadruplex是一种响应K⁺的特定DNA四链体结构。因此，DNA triplex和quadruplex构建的纳米传感器可能适用于溶酶体内H⁺和K⁺的监测。

图1. 溶酶体腔内pH和K⁺的相关性探究的纳米传感器的设计和成像原理的示意图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

首先通过热分解法制备了蓝光和绿光的两种UCNP，然后对UCNP表面进行配体交换修饰上聚丙烯酸（PAA）和聚乙二醇（PEG），通过EDC/NHS偶联上DNA和多肽TAT。接下来在AuNP表面连接巯基DNA和PEG。将这些UCNP和AuNP通过DNA杂交进行组装，制备DNA triplex和quadruplex传感器。透射电镜和动态光散射表明每个UCNP和一个AuNP相连接。在有靶标离子存在时，DNA发生折叠，导致AuNP靠近UCNP，发生光淬灭。最后将DNA triplex和quadruplex传感器用于体外和体内检测pH和K⁺，对pH和K⁺的响应具有较高的选择性和光稳定性。如果改变DNA序列，抑制DNA triplex和quadruplex的行程，这些control传感器则对pH和K⁺不再敏感（图1）。

Hela细胞内，在受ATP刺激后，DNA quadruplex 传感器的绿色UCNP信号增强，而DNA triplex传感器的蓝色UCNP信号减弱，说明了K⁺的外流刺激了溶酶体的酸化（图2）。

图2. DNA triplex和quadruplex纳米传感器同时孵育的Hela细胞在ATP刺激前后的共聚焦发光图，荧光定量和ATP刺激溶酶体酸化的示意图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

该工作成功地构建了单发射体-单淬灭剂的DNA triplex和quadruplex传感器，实现了对溶酶体内的pH和K⁺的同时成像，结果表明溶酶体酸化过程中质子的流入伴随着钾离子的流出。鉴于不同的DNA适配体序列可以检测到各种分子，该方法可以扩展到细胞中许多其他分析物的检测和成像，以应对具有挑战性的生化和细胞生物学问题。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是湖南师范大学博士研究生陈峰。

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DNA Triplex and Quadruplex Assembled Nanosensors for Correlating K⁺ and pH in Lysosomes

Feng Chen, Qiujun Lu, Linna Huang, Biwu Liu, Meiling Liu, Youyu Zhang, Juewen Liu

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202013302

导师介绍

张友玉

https://www.x-mol.com/university/faculty/10191

刘珏文

https://www.x-mol.com/university/faculty/75566