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    我國科學家在RNA熒光成像技術前沿領域取得重大進展

    日期 2019-10-31   來源:化學科學部   作者:張艷 胡海宇 陳擁軍  【 】   【打印】   【關閉

    圖. Pepper熒光RNA及活細胞RNA實時追蹤。(a)不同顏色Pepper熒光RNA;(b)Pepper熒光激發譜;(c)Pepper熒光發射譜;(d)活細胞內RNA無背景成像;(e)活細胞內RNA超分辨成像

      在國家自然科學基金項目(批準號:21425311,21877037,21937004,91857202,31225008,31470833,31600688)資助下,華東理工大學楊弋課題組與朱麟勇課題組組成的聯合攻關團隊在熒光RNA及活細胞RNA成像領域取得重大進展。研究成果以“Visualizing RNA Dynamics in Live Cells with Bright and Stable Fluorescent RNAs”(基于高亮穩定熒光RNA的活細胞RNA動態監測)為題,于2019年9月24日在Nature Biotechnology(《自然生物技術》)上在線發表。論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41587-019-0249-1。

      生物大分子標記技術是生物分子成像的關鍵。在科學歷史上,人們利用熒光蛋白“點亮”細胞內蛋白質, 實現了生命動態過程中蛋白質分子的可視化。熒光蛋白技術是當代生物科學研究中最重要的顛覆性研究工具之一。與蛋白質相比,RNA種類更多,大部分種類結構功能尚未鑒定,被稱為基因組中的“暗物質”。不同種類的RNA及其修飾形式的鑒定、功能與調控研究現已經成為國際前沿。RNA研究也迫切需要一種類似于熒光蛋白的標記技術,這是深入研究RNA功能機制極為重要的工具。針對這一亟需解決的技術挑戰,華東理工大學藥學院楊弋教授與化學與分子工程學院朱麟勇教授等組成了交叉學科聯合攻關團隊,歷經七年緊密合作,最終在熒光RNA研發領域取得了突破性進展。基于合成生物學及化學生物學原理,他們成功構建了系列高性能熒光RNA,首次在國際上實現了哺乳細胞內不同種類RNA的標記與無背景成像。

      該研究團隊發展了全新的分子設計理念及分子共同定向進化的新方法,獲得了系列高亮、穩定、低背景的熒光RNA。這些熒光團激活RNA標簽僅含40余個核苷酸,可以特異結合不發光的創新染料分子,進而產生強烈熒光。它們具有青、綠、黃、橙、紅等不同顏色,與辣椒的顏色類似,因此被命名為Pepper。通過基因編輯等手段,Pepper可以插入到不同的天然非編碼RNA與編碼RNA分子序列中,進而在活細胞內對各種RNA進行熒光標記和實時成像,而不影響它們的轉錄、定位、翻譯、降解等正常代謝。Pepper與染料分子的結合是非共價的,因此可以通過加入不同染料的方法,根據需要改變細胞內熒光RNA的顏色,這種靈活性對于熒光標記穩定細胞株和轉基因動物的構建十分有利。受益于Pepper的高亮度和強穩定性,研究團隊首次實現了活細胞RNA的超分辨成像。研究團隊還利用Pepper對單細胞中mRNA的翻譯過程進行定量研究,結果顯示癌細胞中mRNA量與其編碼蛋白質量之間存在較低相關性,這表明癌細胞的翻譯調控顯著失調,這為癌癥的診療提供一種全新的思路。

      與現有技術相比,我國科學家研發的熒光RNA在親和力、穩定性、信噪比、活細胞熒光亮度等方面提升了一到三個數量級,體現了熒光RNA從概念到實用的突破,為活細胞中RNA的功能研究提供極具價值的工具。此外,這些熒光RNA與適配體技術相結合,原則上可以針對任意信號分子、代謝物、蛋白質等靶標發展從藍色到紅外的高響應度熒光探針,其性能將有望大幅超過現有基于熒光蛋白的遺傳編碼熒光探針,為活細胞與活體生物傳感、即時診斷及實時診斷技術的發展提供新機遇。該項研究充分體現了化學和生物學前沿交叉性質和化學生物學科的廣闊前景。




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