增強子是基因組中一類非編碼調(diào)控元件，它能使細胞內(nèi)特定的基因得到明顯地上調(diào)。在基因調(diào)控的過程中，增強子在序列特異性轉(zhuǎn)錄因子的引導(dǎo)下，與相應(yīng)的啟動子發(fā)生作用，以激活下游基因的表達。正常的增強子激活在維持哺乳動物細胞中基因的發(fā)展方面起著重要的作用。然而，基因不可控的表達增強會導(dǎo)致細胞產(chǎn)生一系列異常的行為，如腫瘤的發(fā)生和過度增殖。鑒定增強子的活性，特別是在活細胞中，將為解析癌癥中基因表達異常的機制提供重要線索。

近日，北京航空航天大學(xué)常凌乾課題組在ACS Sensors期刊上發(fā)表了一篇名為“Sensitive Interrogation of Enhancer Activity in Living Cells on a Nanoelectroporation-Probing Platform”的文章。該研究工作中發(fā)展了一種納米電穿孔探針平臺，通過采用納米電穿孔生物芯片，利用納米孔提供聚集的電場，實現(xiàn)細胞膜的可逆穿孔，同時產(chǎn)生電泳力，將用于增強子活性檢測的探針高效地遞送至細胞核內(nèi)（圖1）。

圖1 納米電穿孔探針平臺用于活細胞內(nèi)增強子活性鑒定：（A）納米電穿孔探針平臺工作原理；（B）PH探針鑒定增強子活性并產(chǎn)生放大熒光信號的原理；（C）納米電穿孔生物芯片實物圖；（D）納米孔的電鏡掃描圖像；（E）細胞核靠近納米孔附近的膜內(nèi)外電勢差模擬結(jié)果。

由于增強子激活基因表達的方式取決于其與啟動子的相互作用，鑒定增強子活性實際上意味著評估目標(biāo)增強子與啟動子之間的相互作用?？紤]到這種相互作用的獨特性，該團隊設(shè)計了一組DNA探針，名為“PH探針”。PH探針由序列P1、P2、H1和H2組成。其中，P1與P2互補結(jié)合。H1和H2可自組裝為具有粘性末端的“發(fā)卡”結(jié)構(gòu)。P1的3’端能夠特異性結(jié)合增強子序列。當(dāng)增強子與啟動子相互作用，P1的5’端將與啟動子序列結(jié)合，原本結(jié)合在P1上的P2被替換下來。替換下來的P2能夠與H1的粘性末端結(jié)合，并打開H1的發(fā)卡結(jié)構(gòu)，使熒光基團遠離淬滅基團而恢復(fù)熒光。隨后，H2的粘性末端將與H1結(jié)合，使結(jié)合在H1上的P2被替換下來。被替換下來的P2又能與新的H1結(jié)合，繼而開始新一輪的熒光信號恢復(fù)，最終使熒光信號產(chǎn)生百倍增強（圖2）。

圖2 PH探針的功能驗證：（A）H1和H2探針對序列P2的識別能力；（B）PH探針在不同序列搭配下的熒光強度；（C）H1和H2探針檢測序列P2的反應(yīng)時間；（D）H1和H2探針檢測序列P2的熒光強度的校準曲線，插圖顯示H1和H2檢測序列P2的檢測限為5 nM。

利用納米電穿孔生物芯片將PH探針高效且安全地遞送至活細胞內(nèi)，該平臺成功地在活細胞內(nèi)鑒定了CCAT1增強子活性。CCAT1是一種長鏈非編碼RNA，參與腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移，其在腫瘤中的異常高表達已被報道與增強子激活有關(guān)。該平臺將傳統(tǒng)增強子活性檢測方法的時間從幾天縮短到不到一個小時，同時，保證了細胞的高活性。這為活細胞內(nèi)增強子的活性檢測以及細胞的行為關(guān)聯(lián)分析，提供了便捷的研究平臺（圖3）。

圖3 納米電穿孔探針平臺檢測活細胞內(nèi)CCAT1增強子活性：（A）PH探針檢測細胞的熒光圖像；（B）細胞熒光強度統(tǒng)計數(shù)據(jù)；（C）采用siRNA轉(zhuǎn)染A549細胞后，使用納米電穿孔探針平臺檢測得到的細胞熒光圖像；（D）利用CCK8試劑盒對細胞的增殖能力進行鑒定；（E）細胞遷移一段時間后的劃痕區(qū)域，以表征細胞的遷移行為。

為了驗證該平臺的性能，該團隊在22個臨床原代細胞樣本中鑒定了CCAT1增強子的活性，并發(fā)現(xiàn)在肺癌原代細胞中CCAT1增強子的活性較正常肺癌細胞明顯增加，且不同細胞樣本間存在異質(zhì)性（圖4）。

圖4 臨床細胞樣本中增強子活性的鑒定：（A）檢測原代細胞樣本L1和N1的熒光圖像；（B）計數(shù)100個細胞的熒光強度統(tǒng)計結(jié)果；（C）原代肺腫瘤細胞樣本與原代正常肺細胞樣本的熒光強度比值比較；（D）CCAT1在原代肺腫瘤細胞（L1-L11）和原代正常肺細胞（N1-N11）中的表達比較。

該研究工作第一作者是萬鳳奇博士，共同第一作者董再再博士。通訊作者北航常凌乾教授、董再再博士。文章第一單位為北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，合作單位為蘭州大學(xué)第二醫(yī)院與北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院。

論文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acssensors.2c01187

審核編輯 ：李倩