Nature子刊：给细胞器装上“化学显微镜”！华东师范大学田阳/刘智超发明DNA纳米陷阱，看清去甲肾上腺素如何在细胞器内引发神经元死亡

细胞器靶向分子探针的开发对于揭示分子在参与生物过程的细胞器内的作用与通路至关重要。在这些细胞器中，内质网（ER）对于蛋白质或神经递质的合成与运输等细胞功能至关重要。此外，内质网与线粒体之间的交互作用对于细胞信号传导、能量代谢和细胞死亡至关重要。

内质网应激是一种与创伤性脑损伤（TBI）相关的重要细胞应激反应，可诱发神经炎症或细胞死亡。临床上，急性TBI患者脑内的去甲肾上腺素（NE）水平显著升高，其升高幅度与损伤严重程度和死亡率相关。

近期一项研究证实了NE升高在TBI后脑水肿中的重要作用，但NE升高与TBI期间内质网应激相关细胞损伤之间的关系仍不清楚。目前缺乏能够追踪NE在内质网内动态变化的细胞器特异性探针，这限制了作者对其精确作用及调控机制的理解。这凸显了开发细胞器靶向探针以增进作者对NE水平及其对内质网功能影响的认知的迫切需求。

过去几十年间，已开发出多种用于识别神经递质的探针，包括微透析、电化学方法以及有机小分子探针。基因编码的荧光探针因其高选择性、快速响应和长期稳定性，也已被神经科学家广泛认可，特别是针对NE的探针。然而，开发用于神经递质的细胞器靶向基因编码探针仍然具有挑战性。

尽管基于DNA适体的神经递质探针具有某些优势，但适体筛选耗时且此类探针仍存在响应时间慢的问题。最近，本课题组设计并合成了几种用于细胞质或神经元膜中NE成像与传感的有机小分子及超分子荧光探针，其响应时间从数十分钟缩短至100–200毫秒。

遗憾的是，有机分子探针的扩散性限制了其在细胞或细胞器内的稳定性。因此，构建用于快速且稳定识别细胞器内NE的探针仍面临挑战。值得注意的是，结合DNA纳米结构的模块化优势与细胞膜蛋白的稳定性，能够为不同靶标定制探针并增强其多功能性。

模式机理图（图片源自Nature Chemical Biology ）

基于此，作者创建了一种DNA纳米阱，用于在细胞器内对NE进行动态成像和定量生物传感，并具有长期稳定性。该探针基于涉及多重交互作用的协同识别机制，代表了一种用于细胞器内神经递质成像与生物传感的纳米探针。

首先，作者设计了一种名为BAN的苯硼酸衍生物，其能够促进与儿茶酚胺类神经递质中儿茶酚结构的特异性缩合反应，有效排除非儿茶酚胺类神经递质、氨基酸及其他活性分子的干扰。随后，作者合成了一系列具有羟甲基（-CH2OH）官能团的DNA纳米结构，这些官能团能够提供氢键并将BAN分子“捕获”在DNA纳米结构内部。

通过精确调控DNA纳米结构的尺寸与形状、微调氢键效应以及BAN的特异性化学反应，优化后的探针（NEtrap2.4-OH）具有规则的四面体DNA纳米结构（边长：2.4 nm），其对NE表现出高特异性，甚至优于对肾上腺素（E）和多巴胺（DA）的特异性。

该探针的响应时间估计为50毫秒，是目前分子探针中最快的，其识别速度比基于DNA适体的探针快约10,000倍。此外，得益于DNA纳米结构上可用的多重修饰位点，作者共价连接了荧光花青素3（Cy3）分子作为内参分子，从而实现了对NE的准确定量。

为确保探针在细胞器内测量的稳定性，作者设计的HaloTag配体（HTL）通过亲核取代反应，特异性附着于在不同亚细胞隔室中表达的HaloTag融合蛋白上，从而开发出一种比率式化学遗传学DNA纳米阱（NEtrapHTL）。

NEtrapHTL能够以至少48小时的长期稳定性，对内质网、质膜（PM）和线粒体中的NE水平进行实时定位与定量。值得注意的是，作者发现NE水平在不同神经元细胞器间存在差异，其中内质网显示出先前未报道过的32.8 ± 2.0 nM基线浓度。

利用此DNA纳米阱，作者发现在TBI期间内质网中发生了NE爆发，其触发了内质网应激并启动了线粒体自噬，进而导致神经元死亡。值得注意的是，NE通过增加Mthfd2蛋白水平和降低Nek1蛋白水平来调控内质网，这继发改变了线粒体蛋白Bnip3（上调）和Uqcr11（下调），扰乱了13种关键的线粒体功能分子。

内质网和线粒体中蛋白水平的合并失调，连同13种线粒体功能分子的改变，共同导致了NE诱导的内质网应激下的神经元死亡。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41589-026-02158-5