核酸G-四链体活细胞分析探针的构建

G-quadruplexes is a characteristic secondary structure of nucleic acids. G-quadruplex-forming sequences are highly prevalent in DNA and RNA, however only a very few of them are well investigated. The folding and unfolding of G-quadruplexes are considered to regulate the expression of many genes, and serve as switches of many biological functions. Most of the structural investigation of G-quadruplexes was performed in vitro, and no G-quadruplex has been observed in living cells. Although many fluorescent probes for G-quadruplexes have been reported, none of them has been used for G-quadruplex detection in cells. In our previous work, we have developed a squaraine fluorophore with strong absorption and emission in red to NIR region, which can specifically recognize parallel G-quadruplexes in vitro. In this proposal, we will modified this squaraine fluorophore by attaching with various of side chains, to change its cellular uptake and localization, as well as to enhance its selectivity and affinity to G-quadruplexes in complex environment of cells. Through screening in buffer and in cells, we will obtain NIR fluorescent probes for G-quadruplex imaging in cells and develop methods for G-quadruplex visualization in cells. We expect that our studies will provide new tools for the G-quadruplex investigation, and provide new information for the design of new fluorescent probes used in cells or in vivo.

G-四链体是一种特殊的核酸二级结构，可形成G-四链体的序列广泛存在于DNA和RNA中，但目前人们只对其中极少量G-四链体的生物学功能有较深入了解。一般认为细胞中G-四链体的形成与解构调控很多基因的表达，是生物功能的开关。目前大部分G-四链体研究都是在溶液中进行的，还没能直接在活细胞中观察到G-四链体结构。虽然人们已发展了很多G-四链体荧光探针，但均未能用于活细胞检测。本课题组前期合成了可在溶液中特异性识别G-四链体的近红外荧光方酸菁分子。本研究拟通过在该方酸菁母核上修饰不同的侧链，以改变分子的细胞摄取和定位，增加它们在复杂的细胞环境中对G-四链体的选择性与亲和力；通过细胞内筛选，获得用于活细胞中G-四链体成像的近红外荧光探针，建立活细胞中G-四链体结构的研究方法。通过该项研究为G-四链体的结构和功能研究提供新的工具，为活细胞或活体分析探针的设计提供新的参考和规律。

G-四链体是一种特殊的核酸二级结构，广泛存在于基因组和转录组中，在基因转录与翻译过程中起重要的调控作用，但人们对细胞中G-四链体的结构和功能还了解甚少。为了发展活细胞中G-四链体的检测方法，了解G-四链体的结构与功能，在本项目中我们开展了如下研究：G-四链体分子探针的设计、合成及其构效关系研究；荧光探针的细胞学行为与细胞成像研究；活细胞中G-四链体的成像研究；G-四链体结构与功能的关系研究；含G-四链体结构的核酸适配体的筛选与活细胞成像研究。通过研究我们获得了三种不同母环结构的系列G-四链体配基，获得了多个高效识别不同G-四链体结构的探针分子，建立了两个G-四链体检测方法；初步了解了不同侧链对荧光探针的细胞摄取、定位和毒性影响的规律，发现了两个具有光动力学治疗潜力的光敏剂，建立了活细胞线粒体自噬探针和线粒体pH成像探针；发现了高活性的G-四链体/hemin过氧化物酶和新的三-四链核酸结构，提出了G-四链体序列抗肿瘤活性的新机理；获得了识别神经突、蛋白二聚体、细胞核蛋白、细胞间连接等的含G-四链体结构的核酸适配体，并用于活细胞和活体成像分析。研究结果为G-四链体的结构和功能的阐明提供新的工具和信息，为活细胞/活体分析探针的设计提供了新的参考和规律。