Angew. Chem. Int. Ed.：用于检测细胞核ATP的小分子荧光探针

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引言 

ATP是细胞过程的主要能量来源，例如生物分子的合成和降解、膜运输和肌肉收缩。ATP还充当器官发育的细胞内或细胞外信号分子，细胞运动、神经传递胰岛素分泌。通常，细胞器中与ATP相关的生物过程已使用荧光素酶的生物发光方法进行了研究。然而，生物发光方法增加了测量的细胞内ATP水平的不确定性，因为测试过程中消耗ATP并导致其水平改变。测量还取决于荧光素酶浓度，增加了额外的不确定性。为了克服这些缺点，基于基因编码荧光共振能量转移(FRET)的荧光方法被设计出来，通过ATP结合引起的融合蛋白构象变化导致生物传感器的荧光变化，用来观察细胞ATP/ADP浓度比的变化。然而，构建这些生物传感器需要复杂的技术，如蛋白质纯化、基因工程和生物偶联等。因此，可逆结合ATP的小分子探针的研究受到广泛关注，通过引入适当的细胞器靶向部分，可以选择性地检测相应细胞器中的ATP。由于不清楚具体的细胞核靶向部分，开发一种检测细胞核ATP的小分子荧光探针仍然是一个挑战。
 成果简介 
最近，韩国浦项科技大学的Kyo Han Ahn教授团队在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了题为“A Small-Molecule Fluorescence Probe for Nuclear ATP”的研究论文。此前，作者报道了一种含双（二甲基吡啶胺）（DPA）的荧光团锌离子配合物，用于螯合ZnII，即1-ZnII。它与ATP/ADP的结合相互作用诱导荧光团的分子内电荷转移（ICT），导致荧光信号开启。在进一步探索传感策略的过程中，作者研究了基于苯香豆素的锌离子配合物，并意外发现其中NucATP可用于检测细胞核ATP。这种检测细胞核ATP的小分子荧光探针对于研究核内ATP相关的生物过程具有很大的潜力，作者对其传感特性进行了详细的研究。由于苯并香豆素染料具有双光子活性，因此该探针进一步支持通过双光子显微镜（TPM）进行组织成像。TPM荧光成像具有多种优势，例如减少自发荧光、减少光损伤和光漂白以及更深层次的组织成像深度，与传统的共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）相比。因此，作者首次根据不同的核ATP水平应用探针来区分肿瘤组织与正常组织以及癌细胞与正常细胞。
 图文解读 
1图 1. 细胞器选择性的小分子ATP探针。
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图 2. A) 1-ZnII和NucATP的结构，以及它们的烷氧基-ZnII平衡物种；B) 为NucATP（亚胺形式）计算的分子轨道及其带有N,N-二甲胺供体的类似物：光诱导电子转移（PET）淬火在前一种情况下受到青睐，但在代表P2和P3的后一种情况下则不然。

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图 3. A) 用NucATP检测ATP的示意图；B) 在ATP饱和的探针溶液中加入apyrase后，荧光强度随时间的变化；C) 在pH 7.4 HEPES缓冲液中，用ATP荧光滴定NucATP；D) 不同浓度ATP下的荧光强度图；E) NucATP与ATP处理时荧光变化的时间过程；F) NucATP在pH 7.4 HEPES缓冲液中对各种物质的荧光响应；G) NucATP在pH 7.4 HEPES缓冲液对各种核酸的荧光响应。

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图 4. A) PC3细胞与NucATP和Nuclear-ID Red共孵育30分钟的荧光图像；B) 细胞内绿色和红色图像各自的强度图；C) 在缺乏葡萄糖的情况下，PC3细胞与NucATP处理30分钟后，与PARP、葡萄糖、KCN孵育30分钟的荧光图像；D) 图C)绿色图像的各自强度图。

5图 5. A) 正常细胞与肿瘤细胞的相对荧光强度对比；B) 正常小鼠组织和肿瘤移植小鼠组织的荧光图像；C) 图B)的绿色图像各自的强度图；D) 减去背景信号，正常组织和肿瘤组织之间的相对荧光强度对比。
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图 6. A)细胞周期的示意图；B) 用Hoechst 33342和NucATP染色的PNT2（前列腺，正常）和PC3（前列腺，肿瘤）细胞系的TPM图像；C) Hoechst 33342染色和D) NucATP染色的PC3细胞的流式细胞周期分析结果；E) Hoechst发射强度（DNA含量）与NucATP发射强度（ATP含量）的示意图；F) NuATP培养的PC3细胞系与PNT2细胞系的平均发射强度随细胞周期阶段的比较。
 总结展望 
作者开发了能在pH 7.4条件下以25倍荧光增强感知细胞核ATP的小分子探针NucATP，NucATP基于苯香豆素染料Zn(II)配合物，可以与ATP可逆且快速结合，其配位模式改变导致荧光开关变化。探针对ATP表现出优异的选择性，可以用来监测细胞和组织中的细胞核ATP。作者使用探针比较了几种正常细胞和肿瘤细胞，揭示后者的细胞核ATP水平要更高。此外，作者比较了正常小鼠和肿瘤小鼠各器官的细胞核ATP水平，发现肿瘤组织的核ATP水平高出3.9 - 7.8倍。肿瘤组织中明显高水平的细胞核ATP可以解释为恶性肿瘤增殖，通过细胞周期依赖的荧光分析观察到有丝分裂阶段高水平的细胞核ATP。因此，NucATP在研究细胞核ATP相关生物过程和区分肿瘤组织与正常组织方面具有巨大潜力。

 文献链接 

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202300580

 作者介绍 
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Prof. Kyo Han Ahn

教育经历：

学士，化学，化学教育系，首尔国立大学，1980年

硕士，有机化学，化学系，韩国科技院，1982年

博士，有机化学，化学系，韩国科技院，1985年

研究方向：

分子识别/传感

用于疾病生物标志物诊断/成像的分子和纳米探针

用于生物医学应用的发光（双光子吸收）材料


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