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蘭州大學(xué)Anal. Chem.封面文章：多通道熒光探針用于探索線粒體硫化氫在維持極性和線粒體DNA完整性中的作用

來源：      2023-12-01
導(dǎo)讀：2023年11月，蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院張海霞教授（通訊）、蘭州大學(xué)動物醫(yī)學(xué)與生物安全學(xué)院萃英博士后穆帥（一作）等在國際知名期刊《Analytical Chemistry》發(fā)表題為“Exploring the Role of Mitochondrial Hydrogen Sulfide in Maintaining Polarity and mtDNA Integrity with a Multichannel Fluorescent Probe” 的研究性論文，被評為封面文章。文章鏈接DOI：10.1021/acs.analchem.3c03663

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正文

本研究設(shè)計合成了一種針對線粒體的多通道熒光探針HNA，可以級聯(lián)檢測H2S和極性，同時檢測mtDNA。HNA是一種具有D-π-A結(jié)構(gòu)的線性分子，由于缺乏剛性結(jié)構(gòu)約束，扭曲分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（TICT）效應(yīng)導(dǎo)致HNA的熒光發(fā)射幾乎可以忽略不計。當(dāng)HNA與DNA通過與溝槽相互作用緊密結(jié)合時，限制了其自由旋轉(zhuǎn)，觀察到明顯增強(qiáng)的紅色熒光。HNA利用經(jīng)典的疊氮基團(tuán)作為H2S的反應(yīng)位點(diǎn)，當(dāng)H2S將疊氮基團(tuán)還原為氨基時，HNA發(fā)生自毀反應(yīng)并釋放產(chǎn)物HNAP，呈現(xiàn)橙紅色熒光發(fā)射。由于ICT效應(yīng)的存在，產(chǎn)物HNAP對環(huán)境極性表現(xiàn)出敏感性。環(huán)境極性降低會導(dǎo)致HNAP橙紅色熒光發(fā)射向綠色發(fā)生藍(lán)移。

利用HNA探針闡明了內(nèi)源性H2S對線粒體極性、mtDNA相互作用以及調(diào)節(jié)和保護(hù)受損線粒體在活細(xì)胞中的影響，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測從受損線粒體釋放的mtDNA，證實(shí)了H2S保護(hù)mtDNA完整性并減輕炎癥反應(yīng)的能力。該研究也為線粒體極性和mtDNA動態(tài)變化提供了可靠的工具，并為了解其病理和治療機(jī)制提供了新的見解。

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圖1. 多功能熒光探針HNA，用于H2S、極性和mtDNA的檢測

（圖片來源：Anal. Chem.）

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圖2. （A）探針HNA與不同濃度的H2S反應(yīng)后的熒光發(fā)射光譜。（B）熒光強(qiáng)度與H2S濃度之間的線性關(guān)系。（C）（D）探針HNA對H2S的選擇性。
（圖片來源：Anal. Chem.）

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圖3. （A）不同溶劑中HNAP（10 μM）的熒光發(fā)射光譜。（B）在365 nm紫外光下，HNAP在不同溶劑中的熒光變化。（C）熒光強(qiáng)度（紅線）或最大發(fā)射波長（藍(lán)線）與ET(30)之間的關(guān)系。
（圖片來源：Anal. Chem.）

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圖4. （A）HNA和DNA之間的分子對接。（B）DNA與HNA的圓二色譜及271 nm處變化。
（圖片來源：Anal. Chem.）

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圖5. （A）HepG2細(xì)胞經(jīng)過LPS處理以及LPS和AP39共同處理后，使用HNA進(jìn)行熒光成像。(B) 圖中圖像的平均熒光強(qiáng)度。(C) 線粒體H2S供體AP39。
（圖片來源：Anal. Chem.）

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圖6. （A）HepG2細(xì)胞用HNA和Mito?tracker Green孵育作為對照；先用AZT預(yù)處理，然后加入HNA和Mito?tracker Green；先用LAM預(yù)處理，然后加入HNA和Mito?tracker Green；先用AZT和AP39預(yù)處理，然后加入HNA和Mito?tracker Green；先用LAM和AP39預(yù)處理，然后加入HNA和Mito?tracker Green；

比例尺：20 μm。（B）通過Western blot分析超氧化物歧化酶2（SOD2）的變化。（C）不同藥物處理對細(xì)胞中TNF?α、IL?6和IL?10表達(dá)的影響。*P < 0.05，**P< 0.01，與對照組相比。
（圖片來源：Anal. Chem.）

總結(jié)

張海霞團(tuán)隊設(shè)計了線粒體靶向多通道熒光探針HNA丙用于H2S和極性的級聯(lián)檢測以及線粒體 DNA 的并行檢測。HNA 具有D?π?A 架構(gòu)，并且由于 TICT效應(yīng)而表現(xiàn)出可忽略不計的熒光發(fā)射。當(dāng)與DNA結(jié)合時，它在668 nm處顯示出增強(qiáng)的紅色熒光。同時，探針利用疊氮基團(tuán)作為H2S的反應(yīng)位點(diǎn)，轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物HNAP，對H2S（604 nm）具有60倍的橙紅色熒光增強(qiáng)。此外，HNAP對極性敏感，在極性較小的環(huán)境中會向綠色熒光轉(zhuǎn)變。利用HNA，首次在不同通道上觀察到 H2S、極性和mtDNA 的同步可視化，揭示了極性的降低、mtDNA 的損傷以及線粒體損傷過程中H2S的調(diào)節(jié)。值得注意的是，HNA已成功用于監(jiān)測線粒體的mtDNA釋放，這可用于評估線粒體狀態(tài)。這項研究有助于更好地了解H2S在線粒體生物學(xué)和相關(guān)疾病中的作用，為受損線粒體提供新的潛在診斷方法和治療策略。

文獻(xiàn)詳情：

Shuai Mu, Taihe Han, Xiaoyun Zhang, Jia Liu, Huipeng Sun, Jinlong Zhang, Xiaoyan Liu, Haixia Zhang*. Exploring the Role of Mitochondrial Hydrogen Sulfide in Maintaining Polarity and mtDNA Integrity with a Multichannel Fluorescent Probe. Anal. Chem. 2023, https://doi.org/10.1021/acs.analchem.3c03663

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