远红色可基因编码的激酶活性化学荧光生物传感器: 用于多维信号网络解析与超分辨成像

NBT自然-生物技术2025年04月29日约 3 分钟

研究背景

荧光生物传感器在生物医药科学研究中发挥了革命性作用，实现了活细胞信号活动的直接可视化。然而，目前的技术在分辨率和成像维度方面仍存在局限，阻碍了对时空调控信号网络的解析。本研究设计并开发了一种高灵敏度的远红色可基因编码的激酶活性化学荧光生物传感器(HaloAKAR)，结合了可基因编码的HaloTag7自标记蛋白标签与具有远红色光谱特性的有机合成荧光团，以实现超分辨和多维成像，从而提高对细胞信号活动架构的解析能力。

结果与展望

本研究基于可基因编码的HaloTag7自标记蛋白标签，开发了一种远红色激酶生物传感器(HaloAKAR)。该生物传感器结合HaloTag7自标记蛋白与远红色有机合成荧光团，显著提升了光稳定性和动态范围，使其实现在多种生物成像模式下解析细胞信号的空间与时间动态。

在4D活性成像方面，HaloAKAR在旋转盘共聚焦显微镜(Spinning Disk Confocal Microscopy)、双光子显微镜(Two-photon Microscopy)以及晶格光片显微镜(Lattice Light-Sheet Microscopy)中均展现出卓越的成像性能，可用于实时可视化三维组织和HEK293T细胞球状体模型中的PKA信号动态。此外，HaloAKAR可用于解析细胞内信号微域的精细空间调控机制。通过受激发射损耗(STED)显微镜进行超分辨成像，我们在网格蛋白包被小窝(Clathrin-coated pits)观察到高度区室化(compartmentalized)的PKA活性，揭示了单个小窝作为独立信号微域的功能。

与此同时，HaloAKAR的远红光光谱特性使其能够支持多达五色生物传感器的多路复用成像，与其他荧光蛋白生物传感器（例如cAMP、PKC、Ca2+、cGMP传感器）联合使用，从单细胞水平解析复杂的信号网络。借助HaloAKAR强大的多路复用成像能力，我们对G蛋白偶联受体(GPCR)信号网络进行了研究。通过HaloAKAR与B-GECO1、ExRai-CKAR2以及Pink Flamindo的联合多路复用成像，我们揭示了β1AR、β2AR、PTGFR和GLP-1R的非经典信号耦合模式。这一发现强调了GPCR在不同细胞环境中的动态调控特性，拓展了对GPCR信号传导的理解，并为靶向GPCR的精准治疗提供了重要的研究思路。

本研究开发的远红色可基因编码的激酶活性化学荧光生物传感器(HaloAKAR)提高了激酶信号监测的灵敏度和光稳定性，使其适用于4D活性成像和超分辨率成像。HaloAKAR的红移激发发射波长填补了远红色光谱区间空缺，使其支持多路复用成像。这一强有力的工具为解析复杂细胞信号网络、药物筛选以及疾病研究提供了重要应用价值。