Visualization of Protein-specific Glycosylation and Photodynamic Therapy via an Enzyme-free Amplification Strategy of Catalytic Hairpin Assembly and Hybridization Chain Reaction

doi:10.7503/cjcu20230140

Abstract

Abstract:

Herein， a highly sensitive， enzyme-free signal amplification strategy based on the proximity-induced catalytic hairpin assembly and hybridization chain reaction（CHA-HCR） was developed for protein-specific glycosy-lation fluorescence imaging of cancer cells in situ and highly efficient photodynamic therapy. Two DNA probes were designed for the specific labeling of target proteins and glycans， respectively， where the protein probe（PP） identified the MUC1 protein by aptamer and the glycan probe（GP） specifically bound to sialic acid via bioorthogonal reaction. Due to the proximity effect， the CHA initiation sequence in the PP hybridized with the adjacent GPs and triggered a subsequent CHA-HCR cascade reaction. An extended double-stranded DNA strand with multiple fluorescent molecules or photosensitizers formed on specific glycosylation of the target protein， which provided a universal avenue for the multiple glycosylation imaging on the cancer cell surface with high sensitivity and a valuable way for photodynamic therapy with enhanced cytotoxic effect by targeting the specific glycoproteins. This strategy supplies the reference for uncovering the mechanism of glycosylation， screening glycan-related biomarkers and developing targeted therapies.

Key words: Proximity, Bioorthogonal reaction, Enzyme-free signal amplification, Glycosylation imaging, Photo- dynamic therapy

CLC Number:

O652

TrendMD:

LI Ting, XING Simin, LIU Yang. Visualization of Protein-specific Glycosylation and Photodynamic Therapy via an Enzyme-free Amplification Strategy of Catalytic Hairpin Assembly and Hybridization Chain Reaction[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(8): 20230140.

Figures/Tables 4

Fig.1 Feasibility investigation of the CHA⁃HCR cascade reaction process specifically initiated by protein probe（A） The non-denaturing polyacrylamide gel electrophoresis； fluorescence characterization results of the CHA（B） andCHA-HCR（C） products induced by protein probe（λex=488 nm）.

Fig.2 Visualization of MUC1⁃specific sialylation and verification of intramolecular proximity⁃induced signals（A） CLSM images of MUC1-specific sialylation on the MCT-7 cell surface by the proximity-induced CHA-HCR amplification strategy；（B） CLSM images EpCAM-specific sialylation on the HT29 and SKBR3 cell surfaces by the proximity-induced CHA-HCR amplification strategy（scale bar： 20 μmol/L）；（C） fluorescence intensity statistics of HCR process amplification effect.

Fig.3 Dynamic monitoring of changes in MUC1⁃specific sialic acid with BAG treatment（A） CLSM images of MCF-7 cells pretreated with a mixture of Ac4ManNAz and BAG at different concentrations（0， 0.5， 1.0， 1.5， and 2.0 mmol/L） with（top row） or without（bottom row） HCR amplification；（B， C） quantitative fluorescence intensity with the proximity-induced （B） CHA and （C） CHA-HCR process， respectively. Scale bar： 20 μmol/L.

Fig.4 Differential amplification capability of HCR and MUC1⁃specific sialylation targeted photodynamic therapy effect（A） CLSM imaging and （B） fluorescence intensity statistics of MUC1-specific sialylation on the MCF-7 and MCF-10A cell surfaces via the proximity-induced CHA process（bottom row） and CHA-HCR strategy（top row）；（C） co-staining of MCF-7 cells treated with different conditions by Calcein-AM and PI；（D） relative viabilities of MCF-7 and MCF-10A cells after PDT based on CHA-HCR strategy. Scale bar： 20 μm.

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