荧光蛋白结构改造及其生物传感应用

doi:10.7503/cjcu20200405

摘要/Abstract

摘要：

荧光蛋白自发现以来, 因其具有基因编码、可以自主发出稳健荧光的特点, 在生命科学领域中发挥着重要作用. 随着对荧光蛋白的结构和功能有了更清晰的认识, 在蛋白质工程技术和有机合成迅速发展的基础上, 科研工作者可以对荧光蛋白的结构进行设计改造和模拟, 赋予其新的性质和功能, 扩宽其在生物传感、生物成像等生命领域的应用. 本文以绿色荧光蛋白的结构改造为主线, 从局部结构改变、桶状结构重构和表面重构等不同层面阐述了荧光蛋白结构改造的方法以及荧光蛋白模拟物的研究进展, 并介绍了这些荧光蛋白及其模拟物在生物领域的代表性应用.

关键词: 荧光蛋白, 结构改造, 表面重构, 荧光蛋白核酸模拟物, 生物传感

Abstract:

Since the discovery of fluorescent proteins， they have played important roles in life science， due to their genetic coding and spontaneous emission of robust fluorescence. With the development of protein engineering technology and organic synthesis， and a better understanding of the structure and function of fluorescent proteins， structural modifications and designs of fluorescent proteins were performed to give them new properties and functions， and broaden their applications in biological field such as bioimaging and biosensing. This paper focuses on the progress of the structural modification of green fluorescent protein（GFP）， as well as its mimics， including mutagenesis， barrel structure reconstruction， surface reconstruction， and nucleic acid mimics of fluorescent proteins. The representative applications of these fluorescent proteins and mimics in biosensing are also introduced.

Key words: Fluorescent protein, Structural modification, Surface reconstruction, Nucleic acid mimic of fluorescent protein, Biosensing

中图分类号:

O652

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图/表 4

Fig.1 Schematic representation of the fluorescent protein mutants

Fig.2 Representative applications of split fluorescent protein in biosensing(A) Schematics for the fluorescence-activatable probe for imaging the release of Smac from mitochondria. Smac-GFP11 is spon- taneously complemented with cytosolic GFP1-10, resulting in the recovery of the fluorescence(left) and time-lapse imaging of Smac release in living cells(right), scale bars: 10 μm[50]; (B) scheme of thesemisynthetic fluorescent protein assembly-based FRET probe(sFPAP) for imaging of furin activity on the living cell membrane(top) and time-lapse imaging of the probe for cell-surface furin assay(bottom)[51]; (C) schematic illustration of Sortase A(SrtA)-catalyzed transpeptidation-mediated assembly of tripartite Split GFP for label-free detection of SrtA activity(top) and schematic illustration of the proposed assay for label-free detection of Gram-positive bacteria(bottom)[56].(A) Copyright 2016, American Chemical Society; (B) Copyright 2019, The Royal Society of Chemistry; (C) Copyright 2018, American Chemical Society.

Fig.3 Representative applications of the surface reconstructed fluorescent proteins in biosensing and protein delivery(A) Schematic illustration of the supercharged green fluorescent protein(ScGFP)-based sensing platform for nucleic acid detection and epigenetics analysis based on polyionic nanoscale complex of +36 GFP/DNA and toehold strand displacement(left) and its further application in detection of DNA methylation status in human cancer cell line HT29 and human colon carcinoma tissue sample[61]; (B) pH-responsive delivery and tracing of protein by surface charge designable and tunable GFP(His29GFP)(left) and its further application of delivery of RNase A to HeLa and mRNA content analysis in HeLa by fluorescence in situ hybridization assay(right), scale bar: 20 μm[70]; (C) schematic illustration of cancer cell targeting and fluorescence/MRI bimodal visualized intracellular protein delivery by Protein@InorganicNanodumpling system(NDs)(left) and overview of synthesis and intracellular in vivo delivery of functional protein by NDs(right)[71].(A) Copyright 2014, John Wiley and Sons; (B) Copyright 2018, the Royal Society of Chemistry; (C) Copyright 2020, American Chemical Society.

Fig.4 Representative applications of fluorescent protein mimics in biosensing(A) Schematic illustration of the luminous mechanism of an RNA-fluorophore complex “Spinach” sensor(left) and distinct patterns of S-adenosylmethionine(SAM) accumulation after adding methionine to E. coli expressing the SAM sensor RNA(right). Scale bar: 5 μm[87]; (B) structure of a DNA mimic of RFP with the RFP chromophore analogues(left) and its application in bioimaging of the membrane protein PTK(right). Scale bar: 5 μm[101].(A) Copyright 2012, the American Association for the Advancement of Science; (B) Copyright 2017, Oxford University Press.

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