活细胞内核酸非经典结构i-motif的高度专一性荧光探针的设计
批准号:
22077087
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
杨千帆
依托单位:
学科分类:
生物体系分子探针
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
杨千帆
中文摘要
I-motif(iM)是一种新兴的核酸结构靶标,其活细胞研究不仅有助于全面认识生物遗传调控机制,也为肿瘤等重大疾病的精准诊疗提供了新的靶标。但示踪工具的缺乏,特别是可用于活细胞成像的分子荧光探针的空缺,已经严重制约了相关领域的研究。本项目针对目前绝大多数iM配体对iM和G-四链体的选择性低这一瓶颈科学问题,提出了基于“配体作用模式差异”的独创探针设计思路,拟通过多位点的分子结构设计,调控探针与核酸结合模式的倾向,实现专一性靶向活细胞内iM的荧光探针“从无到有”的突破。在此基础上,细致研究探针对iM的识别与调控机制,深入阐释iM的结构特性及其配体特征;继而利用该探针定位与追踪活细胞内的iM,探讨iM的生理功能,为全面认识核酸非经典结构、精确调控遗传信息、开发新型诊疗药物提供新的方法与靶标。
英文摘要
I-motif (iM) is a novel nucleic acid structural target. The study on its location, motion and function in living cells would contribute to the comprehensive understanding of biological genetic regulation mechanism and may provide a new target for the precise diagnosis and treatment of several serious diseases including tumors. However, the lack of monitoring tools, especially the absence of molecular fluorescent probes for living cell imaging, has seriously restricted the development of this field. The reported few iM probes are not suitable for living cell imaging and researching because they could hardly avoid from the interfere of G-quadruplex, another noncanonical structure with similar topologies to iM. To break through this bottleneck issue, we pose an original "ligand model differentiation" strategy to design probes with exclusiveness for iM in this project. We are going to modify multiple sites on cyanine frame to regulate the tendency of ligand binding modes and synthesize a series of probes. On this basis, the identification and regulation mechanisms of iM by the probes would be studied in detail, and the structural features and ligand characteristics of iM be further investigated. Further, we will apply the probes in living cell imaging, including to locate and track iM in situ and to study its physiological functions. This project would provide new sights on understanding the nucleic acid noncanonical structures, new methods for precisely genetic information regulating and new targets for novel diagnostic and therapeutic drugs.
本项目聚焦于核酸i-motif(iM)结构的特异性识别与表征研究。iM作为一种特殊的四链折叠构象,其在生物体内的存在及潜在生物学功能近年来备受关注。然而,目前针对iM结构的高特异性检测工具较为匮乏,这在一定程度上限制了对其功能及动态行为的深入研究。本项目基于“配体作用模式差异”的独创策略,针对G-四链体(G4)和iM之间的沟槽尺寸差异,通过精细调控探针分子的柔性及共轭体系大小,成功实现了对iM结构的高选择性识别,为探针的高特异性提供了重要的理论支撑和实践指导。.围绕新型探针分子库的设计与筛选,本项目成功获得了数种对iM结构具有高度专一性的荧光探针。相互作用机制研究发现这些探针能够基于iM和G4结构沟槽尺寸的差异形成特异性结合模式。探针分子通过调控柔性和共轭体系大小,在iM沟槽中形成更匹配的结合,并借助芳香堆叠和氢键作用显著提高选择性。此外,本项目设计的探针具备双信号通道检测能力,可同时识别和检测iM和G4,为复杂生物体系中的多靶点识别提供了创新性解决方案。.在实际应用方面,本项目对探针的临床潜力进行了初步验证。通过应用探针检测临床血样中RNA的iM结构,本研究首次发现肝癌患者血样RNA的iM水平与健康人群存在显著差异,同时进一步确认了肝癌患者RNA中G4水平的异常变化。这一发现表明,本项目开发的探针不仅适用于基础研究中的核酸结构检测,还具有潜在的临床应用价值,可为疾病早期诊断提供新的分子标志物。.此外,本项目进一步升级并优化了国际上唯一的G4配体数据库及在线设计系统G4LDB,为相关研究人员提供更完善的工具和资源支持。这一数据库的更新,不仅提升了G4及iM相关研究的便利性,也为未来核酸结构探针的智能化设计奠定了基础。.项目实施期间,取得了一系列高水平研究成果,包括发表SCI论文4篇,参与撰写英文专著1部,申请国家发明专利1项。同时,本项目研究成果荣获2024年度中国分析测试协会科学技术奖一等奖(项目负责人排名第二),进一步肯定了本项目在核酸检测技术领域的创新贡献。.本项目的研究成果不仅丰富了iM和G4结构研究的技术手段,也为其在疾病研究与诊断领域的进一步应用奠定了坚实基础,为核酸生物学及相关医学研究提供了全新的实验工具与方法。
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