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兰州大学Anal. Chem.封面文章：多通道荧光探针用于探索线粒体硫化氢在维持极性和线粒体DNA完整性中的作用

来源：      2023-12-01
导读：2023年11月，兰州大学化学化工学院张海霞教授（通讯）、兰州大学动物医学与生物安全学院萃英博士后穆帅（一作）等在国际知名期刊《Analytical Chemistry》发表题为“Exploring the Role of Mitochondrial Hydrogen Sulfide in Maintaining Polarity and mtDNA Integrity with a Multichannel Fluorescent Probe” 的研究性论文，被评为封面文章。文章链接DOI：10.1021/acs.analchem.3c03663

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正文

本研究设计合成了一种针对线粒体的多通道荧光探针HNA，可以级联检测H2S和极性，同时检测mtDNA。HNA是一种具有D-π-A结构的线性分子，由于缺乏刚性结构约束，扭曲分子内电荷转移（TICT）效应导致HNA的荧光发射几乎可以忽略不计。当HNA与DNA通过与沟槽相互作用紧密结合时，限制了其自由旋转，观察到明显增强的红色荧光。HNA利用经典的叠氮基团作为H2S的反应位点，当H2S将叠氮基团还原为氨基时，HNA发生自毁反应并释放产物HNAP，呈现橙红色荧光发射。由于ICT效应的存在，产物HNAP对环境极性表现出敏感性。环境极性降低会导致HNAP橙红色荧光发射向绿色发生蓝移。

利用HNA探针阐明了内源性H2S对线粒体极性、mtDNA相互作用以及调节和保护受损线粒体在活细胞中的影响，实现了监测从受损线粒体释放的mtDNA，证实了H2S保护mtDNA完整性并减轻炎症反应的能力。该研究也为线粒体极性和mtDNA动态变化提供了可靠的工具，并为了解其病理和治疗机制提供了新的见解。

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图1. 多功能荧光探针HNA，用于H2S、极性和mtDNA的检测

（图片来源：Anal. Chem.）

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图2. （A）探针HNA与不同浓度的H2S反应后的荧光发射光谱。（B）荧光强度与H2S浓度之间的线性关系。（C）（D）探针HNA对H2S的选择性。
（图片来源：Anal. Chem.）

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图3. （A）不同溶剂中HNAP（10 μM）的荧光发射光谱。（B）在365 nm紫外光下，HNAP在不同溶剂中的荧光变化。（C）荧光强度（红线）或最大发射波长（蓝线）与ET(30)之间的关系。
（图片来源：Anal. Chem.）

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图4. （A）HNA和DNA之间的分子对接。（B）DNA与HNA的圆二色谱及271 nm处变化。
（图片来源：Anal. Chem.）

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图5. （A）HepG2细胞经过LPS处理以及LPS和AP39共同处理后，使用HNA进行荧光成像。(B) 图中图像的平均荧光强度。(C) 线粒体H2S供体AP39。
（图片来源：Anal. Chem.）

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图6. （A）HepG2细胞用HNA和Mito−tracker Green孵育作为对照；先用AZT预处理，然后加入HNA和Mito−tracker Green；先用LAM预处理，然后加入HNA和Mito−tracker Green；先用AZT和AP39预处理，然后加入HNA和Mito−tracker Green；先用LAM和AP39预处理，然后加入HNA和Mito−tracker Green；

比例尺：20 μm。（B）通过Western blot分析超氧化物歧化酶2（SOD2）的变化。（C）不同药物处理对细胞中TNF−α、IL−6和IL−10表达的影响。*P < 0.05，**P< 0.01，与对照组相比。
（图片来源：Anal. Chem.）

总结

张海霞团队设计了线粒体靶向多通道荧光探针HNA丙用于H2S和极性的级联检测以及线粒体 DNA 的并行检测。HNA 具有D−π−A 架构，并且由于 TICT效应而表现出可忽略不计的荧光发射。当与DNA结合时，它在668 nm处显示出增强的红色荧光。同时，探针利用叠氮基团作为H2S的反应位点，转化为产物HNAP，对H2S（604 nm）具有60倍的橙红色荧光增强。此外，HNAP对极性敏感，在极性较小的环境中会向绿色荧光转变。利用HNA，首次在不同通道上观察到 H2S、极性和mtDNA 的同步可视化，揭示了极性的降低、mtDNA 的损伤以及线粒体损伤过程中H2S的调节。值得注意的是，HNA已成功用于监测线粒体的mtDNA释放，这可用于评估线粒体状态。这项研究有助于更好地了解H2S在线粒体生物学和相关疾病中的作用，为受损线粒体提供新的潜在诊断方法和治疗策略。

文献详情：

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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