《每日科学》2011年9月7日报道——由加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）科学家率队的一个国际研究小组称，利用改造的DNA分子制作的传感器可用于个体化肿瘤治疗并监视干细胞质量。
由DNA（蓝色与紫色）制作的结构转换纳米传感器检测到一特定转录因子（绿色）。来自UCSB的一个研究小组利用这些传感器显示了检测细胞萃取物中转录因子的方法。研究者相信这一策略将使生物学家能够直接监测数以千计的转录因子，有助于更好地理解细胞分裂与发育机制（图片来源：Peter Allen）。
新的纳米传感器可以快速检测转录因子（有生命的主控开关的美誉）这一大类蛋白，本研究已发表于《美国化学协会杂志》。
UCSB化学与生物化学系博士后研究者Alexis Vallée-Bélisle说：“细胞的命运受称为转录因子的几千种不同的蛋白的调控。这些蛋白的角色是阅读基因组并转化为合成各种各样分子（正是这些分子组成、控制细胞）的指令；转录因子的活动方式与细胞的‘设置’有点相似，联想一下手机或电脑的‘设置’就明白了。而传感器的使命就在于阅读这些设置内容。”
他解释说，当科学家提取干细胞并将其转化为特化细胞时，所做的就是改变某些转录因子的水平。这一过程称为细胞再编程；同时指出：“我们的传感器监控转录因子活动，可用于确定干细胞是否已获正确重编；也可用于确定究竟是哪些转录因子在患者的肿瘤细胞中被激活或被抑制。这样医师就可以为每个患者开出不同组合的药方。”
UCSB博士后学者、共同第一作者Andrew Bonham则介绍说，虽然众多实验室业已发明了多种方法来阅读转录因子，但是，本研究小组的方法特别便捷：“大多数实验室在分析前要花数小时从细胞萃取蛋白。而有了新的传感器，只要搅碎细胞后放入传感器并测量样本的荧光水平就行了。”
这项国际合作研究项目（项目由UCSB化学与生物化学系教授Kevin Plaxco与Francesco Ricci教授负责组织）之所以启动，是因为罗马第二大学教授Francesco Ricci当时意识到——检测转录因子活动所需的全部信息已包含于人类基因组，因此可用于制造传感器。Ricci指出：“激活后，这几千种不同的转录因子即与其DNA序列特定靶标相结合。以这些序列为起点，我们制造出了新的传感器。”
作为这项新的技术根基的关键突破来自于对细胞中天然生物传感器的相关研究。Plaxo介绍说：“从细菌到人类，所有的生物都利用‘生物分子开关’来监视其环境，这些‘开关’是能够改变形状的、由RNA或蛋白制造的分子。比如，鼻窦就有几百万个检测不同气味分子的受体蛋白，可实现从‘关闭状态’到‘开启状态’的转换。这些开关令人称羡之处在于小得可以在一个细胞内操作，而且也够特别，可以在非常复杂的环境中发挥正常功能。”
受这些天然纳米传感器的启发，研究小组与同为UCSB化学与生物化学系教授的Norbert Reich合作，利用DNA（而不是用蛋白或RNA）创建了合成开关纳米传感器。
三种天然存在的DNA序列（每种序列能识别一个不同的转录因子）受到研究小组的特别青睐，对其进行了工程改造，使之成为分子开关；这些开关与预定靶标结合时会发出荧光。利用这些纳米级传感器，只要简单地测量一下其荧光水平，研究者就能直接从细胞萃取物中确认转录因子的活动情形。
研究者相信，该策略将最终允许生物学家监测成千上万的转录因子的激活状态，有助于更好地理解细胞分裂与发育机制。Plaxco说：“做为可供选择的方法之一，由于这些纳米传感器直接在生物样本里发挥功能，因此我们同样相信，这些传感器可用于筛选与测试药物——比如能够抑制导致肿瘤生长的转录因子的结合行为的新药。”
本研究获国家卫生研究院等资金支持。
Transcription Factor Beacons for the Quantitative Detection of DNA Binding Activity
Alexis Valle-Blisle†, Andrew J. Bonham†, Norbert O. Reich†§, Francesco Ricci*, and Kevin W. Plaxco*†§
†Department of Chemistry and Biochemistry, §Interdepartmental Program in Biomolecular Science and Engineering, University of California, Santa Barbara, California 93106, United States
Dipartimento di Scienze e Tecnologie Chimiche, University of Rome, Tor Vergata, Via della Ricerca Scientifica 00133, Rome, Italy
J. Am. Chem. Soc., 2011, 133 (35), pp 13836–13839
DOI: 10.1021/ja204775k
Publication Date (Web): August 4, 2011
Copyright © 2011 American Chemical Society
francesco.ricci@uniroma2.it; kwp@chem.ucsb.edu
Abstract
The development of convenient, real-time probes for monitoring protein function in biological samples represents an important challenge of the postgenomic era. In response, we introduce here “transcription factor beacons,” binding-activated fluorescent DNA probes that signal the presence of specific DNA-binding activities. As a proof of principle, we present beacons for the rapid, sensitive detection of three transcription factors (TATA Binding Protein, Myc-Max, and NF-κB), and measure binding activity directly in crude nuclear extracts.
