一种荧光探针及其制备方法和用途技术

一种荧光探针及其制备方法和用途，所述荧光探针对粘度响应敏感并且特异，可用于蛋白的特异性荧光标记，还可用于蛋白的定量、检测或动力学研究以及细胞、组织和活体影像。

【技术实现步骤摘要】
一种荧光探针及其制备方法和用途
本专利技术涉及一种荧光探针及其制备方法和用途。
技术介绍
荧光特异性标记，是研究蛋白功能并定量的一种重要手段。和其它研究方法相比，荧光标记具有灵敏、原位、即时、可视等不可替代的优势。当前，蛋白的特异性荧光标记最常用的方法就是通过基因融合技术将荧光蛋白原位表达于目标蛋白上，从而实现对目标蛋白的特异性点亮，并能够在荧光显微镜下对细胞或组织内靶蛋白进行跟踪研究。荧光蛋白技术经过较长时间发展，技术相对成熟，然而依然存在不少缺陷，例如，荧光蛋白成熟折叠较慢、容易聚集；并且一旦表达，很难进行后期修饰；另外，大多荧光蛋白还存在光稳定性差等不足；这些在一定程度上限制了荧光蛋白的应用。事实上，荧光蛋白生色团的分子结构相对单一，构建不同种类或者功能化的荧光蛋白，往往没有多少规律可循，只能借助于无规突变的方式进行海选。相比，有机小分子荧光染料的分子结构丰富的多，但是小分子荧光探针在蛋白特异性标记方面仍存在很多缺陷。最近，化学标签(chemicaltag)技术的出现，有效地解决了小分子荧光探针蛋白特异性标记的问题。该技术将具有特异性识别功能的多肽或蛋白标签(tag)与靶蛋白融合，并利用该标签与底物高度特异性结合的特点，实现小分子荧光探针特异性的蛋白标记，因此，化学标签技术不仅继承了基因融合技术的优势，而且与荧光蛋白相比，它充分继承了有机染料探针的各方面的优势。目前，SNAP-tag(K.Johnssonet.al.WO2004031405.)、CLIP-tag(K.Johnssonet.al.WO2008012296.)、Halo-tag(Wood，KeithVet.al.WO2004072232)等蛋白标签技术已经商业化，特别是SNAP-tag和CLIP-tag应用最为广泛，并得到了市场的一致认可。虽然SNAP-tag和CLIP-tag等化学标签技术对所属蛋白的标记具有特异性。但事实上，标记过程中，无论游离的探针还是已标记的探针都存在同样的荧光发射。也就是说，不管标记上的还是没标记上的探针都在该体系内发射荧光。这种非特征性的荧光发射，显然是当前化学标签技术的严重缺陷。因此，从严格意义上，这种方法依然无法达到与荧光蛋白同等的特异性。将没有标记上的探针通过洗涤的方法加以去除，是当前解决以上问题的唯一有效方法。显然，在一些需要快速，或者无法洗涤的场合，该技术的应用将受到严重限制。假若设计一种适用于SNAP-tag和CLIP-tag的荧光激活型蛋白特异标记的方法，它在未标记之前是暗的或发射非常弱的荧光，一旦它标记在蛋白上后，染料的荧光急剧增强。毫无疑问，这类设计的探针将有可能实现与荧光蛋白具有等同的特异性，不仅可以免除游离探针洗涤，大幅降低游离探针的背景干扰，而且势必拓宽SNAP-tag和CLIP-tag技术的应用。设计适用于该技术的荧光激活型蛋白特异标记的方法，必须考虑一个合适的荧光失/激活机制。FRET机制首先应用于这方面的设计，在配体上额外加入荧光淬灭基团，正常情况下小分子荧光被与之相连的基团淬灭；一旦配体与化学标签结合后淬灭基团离去，实现荧光激活(T.Komatsu.et.al.J.Am.Chem.Soc.2011，133，6745-6751.)。但是，淬灭基团的引入，大大增加了探针的分子体积，使标记速度大大下降，严重限制了探针在细胞、组织中蛋白的实时跟踪与检测，并且，荧光探针与淬灭基团之间必须具有较好的能级匹配，这样使得长波长，例如，红光发射染料的FRET设计非常困难。另外，一些荧光对极性敏感的染料也被用来设计激活型探针(T.K.Liu.et.al.ACSChem.Biol.2014，9，2359-2365.)，染料处于细胞液等大极性溶剂中，探针没有荧光或者具有较弱荧光，当配体与蛋白结合，探针处于蛋白非极性口袋中，探针发射较强荧光。然而，一方面由于蛋白表面本身就存在一个极性较大的水化层，使探针的荧光增强幅度有限；另一方面，细胞或组织本身是个非常复杂的体系，各个细胞器的极性变化很大，这些都会导致极性敏感的探针在细胞或组织造影中具有很高的背景。最近，文献(T.Y.Wanget.al.ChemSci.2016，7，301-307.)报导了具有粘度响应性的分子转子荧光探针，在蛋白配体与蛋白共价结合后，蛋白位阻的作用降低分子转子自由度，从而使得探针荧光激活。然而，该文献中探针分子荧光激活后的荧光亮度并不高，荧光量子产率非常低。因此，该文献报导的方法不能作为合格的荧光蛋白标签，用于靶蛋白的标记、跟踪、定位和定量。
技术实现思路
本专利技术人发现，通过将配体部分与粘度响应性荧光染料的电子供体部分相连，能够极大地提高配体与标签蛋白结合激活荧光后的荧光亮度，从而获得了一种全新结构的荧光探针，其具有粘度响应性，可用于蛋白的特异性标记，标记速度快、荧光激活亮度高、适用范围广，能够有效用于靶蛋白的标记、跟踪、定位和定量。鉴于此，本专利技术提供一种荧光探针，包括：配体部分A，任选的连接体部分C和荧光染料部分，所述荧光染料部分为粘度响应性荧光染料基团，包括电子供体部分D、共轭体系B和电子受体部分，所述配体部分A为能够与蛋白标签或融合蛋白标签的靶蛋白特异性识别并标记的基团，可选地，所述配体部分A为能够与蛋白标签或融合蛋白标签的靶蛋白特异性识别并共价标记的基团；其特征在于，所述配体部分A直接共价连接于荧光染料部分的电子供体部分D，或者，通过连接体部分C共价连接于荧光染料部分的电子供体部分D。可选地，上述的荧光探针，其具有如式(I)所示的结构，其中，连接体部分C为任选存在的基团，选自亚烷基、改性亚烷基；式(I)中的式(I-R)所示结构部分为荧光染料部分，其中：电子供体部分-D-为-NX1-X2-，X1选自氢、烷基或改性烷基，X2选自亚烷基或改性亚烷基，X1，X2任选相互连接，与N原子一起形成脂杂环；共轭体系B为选自双键、叁键、芳香环、芳香杂环中的至少一种共轭连接而形成，其为如下式(I-1)所示的结构，其中所含的各氢原子任选独立地被选自卤原子、硝基、亲水性基团、烷基和改性烷基的取代基取代，所述取代基任选地相互连接构成脂环或脂杂环；任选地，所述式(I-1)结构与X1、X2相互连接形成脂杂环；电子受体部分具有如下式(I-2)所示的结构，其中，R1选自氢、卤原子、硝基、烷基、芳基、杂芳基、亲水性基团或改性烷基；R2选自氰基、羧基、酮基、酯基、酰胺基、膦酸基、膦酸酯基、磺酸基、磺酸酯基、砜基、亚砜基、芳基、杂芳基、烷基或改性烷基；R3为氰基；电子受体部分任选形成下式(I-2-a)、(I-2-b)环状结构：其中，Ra、Rb独立地选自氢、亲水性基团、烷基和改性烷基，Ra和Rb任选地相互连接形成脂环或脂杂环；Y1选自-O-、-S-、-(S＝O)-和-(NRi)-，其中Ri选自氢、烷基或改性烷基；Y2选自＝O、＝S、＝S＝O和＝NRi，其中Ri选自氢、烷基或改性烷基；Y3选自本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种荧光探针，包括：配体部分A，任选的连接体部分C和荧光染料部分，所述荧光染料部分为粘度响应性荧光染料基团，包括电子供体部分D、共轭体系B和电子受体部分，所述配体部分A为能够与蛋白标签或融合蛋白标签的靶蛋白特异性识别并标记的基团，可选地，所述配体部分A为能够与蛋白标签或融合蛋白标签的靶蛋白特异性识别并共价标记的基团；其特征在于，所述配体部分A直接共价连接于荧光染料部分的电子供体部分D，或者，通过连接体部分C共价连接于荧光染料部分的电子供体部分D。/n

【技术特征摘要】
1.一种荧光探针，包括：配体部分A，任选的连接体部分C和荧光染料部分，所述荧光染料部分为粘度响应性荧光染料基团，包括电子供体部分D、共轭体系B和电子受体部分，所述配体部分A为能够与蛋白标签或融合蛋白标签的靶蛋白特异性识别并标记的基团，可选地，所述配体部分A为能够与蛋白标签或融合蛋白标签的靶蛋白特异性识别并共价标记的基团；其特征在于，所述配体部分A直接共价连接于荧光染料部分的电子供体部分D，或者，通过连接体部分C共价连接于荧光染料部分的电子供体部分D。


2.根据权利要求1所述的荧光探针，其具有如式(I)所示的结构，



其中，连接体部分C为任选存在的基团，选自亚烷基、改性亚烷基；
式(I)中的式(I-R)所示结构部分为荧光染料部分，



其中：
电子供体部分-D-为-NX1-X2-，X1选自氢、烷基或改性烷基，X2选自亚烷基或改性亚烷基，X1，X2任选相互连接，与N原子一起形成脂杂环；
共轭体系B为选自芳香环、芳香杂环中的至少一种共轭连接而形成，其为如下式(I-1)所示的结构，其中所含的各氢原子任选独立地被选自卤原子、硝基、亲水性基团、烷基和改性烷基的取代基取代，所述取代基任选地相互连接构成脂环或脂杂环；



任选地，所述式(I-1)结构与X1、X2相互连接形成脂杂环；
电子受体部分具有如下式(I-2)所示的结构，



其中，
R1选自氢、卤原子、硝基、烷基、芳基、杂芳基、亲水性基团或改性烷基；
R2选自氰基、羧基、酮基、酯基、酰胺基、膦酸基、膦酸酯基、磺酸基、磺酸酯基、砜基、亚砜基、芳基、杂芳基、烷基或改性烷基；
R3为氰基；
电子受体部分任选形成下式(I-2-a)、(I-2-b)环状结构：



其中，Ra、Rb独立地选自氢、亲水性基团、烷基和改性烷基，Ra和Rb任选地相互连接形成脂环
或脂杂环；
Y1选自-O-、-S-、-(S＝O)-和-(NRi)-，其中Ri选自氢、烷基或改性烷基；
Y2选自＝O、＝S、＝S＝O和＝NRi，其中Ri选自氢、烷基或改性烷基；
Y3选自＝O、＝S、＝S＝O和＝NRi，其中Ri选自氢、烷基或改性烷基；
或者，Y3为＝C(Re)(CN)；
Re选自氰基、羧基、酮基、酯基、酰胺基、膦酸基、膦酸酯基、磺酸基、磺酸酯基、砜基、亚砜基、芳基、杂芳基、烷基或改性烷基；
当R2或Re为芳基或杂芳基时，环上的氢原子任选独立地被选自卤原子、硝基、亲水性基团、烷基或改性烷基中的取代基取代；任选地，所述取代基相互连接构成饱和或不饱和的脂环或脂杂环；
其中，
所述烷基为具有1～30个碳原子的饱和脂肪族直链或支链的烷基；
所述亚烷基为具有1～30个碳原子的饱和脂肪族直链或支链的亚烷基；
所述改性烷基为烷基的任意碳原子被选自卤原子、-O-、-OH、-CO-、-NO2、-CN、-S-、-SO2-、-(S＝O)-、苯基、亚苯基、伯氨基、仲氨基、叔氨基、季铵盐基、饱和或不饱和的单环或双环亚环烃基、桥联脂杂环中的至少一种基团置换所得的基团，所述改性烷基具有1～300个碳原子，其碳碳单键任选独立地被碳碳双键或碳碳叁键置换；
所述改性亚烷基为亚烷基的任意碳原子被选自卤原子、-O-、-OH、-CO-、-NO2、-CN、-S-、-SO2-、-(S＝O)-、苯基、亚苯基、伯氨基、仲氨基、叔氨基、季铵盐基、饱和或不饱和的单环或双环亚环烃基、桥联脂杂环中的至少一种基团置换所得的基团，所述改性亚烷基具有1～30个碳原子，其碳碳单键任选独立地被碳碳双键或碳碳叁键置换；
所述脂环为饱和或不饱和的4～10元单环或多环脂环；
所述脂杂环为环上含有选自N、O、S或Si中的至少一种杂原子的饱和或不饱和的4～10元单环或多环脂杂环，所述脂杂环上含有S原子时，其任选为-SO-或-SO2-；所述脂杂环任选被卤原子、硝基、烷基、芳基、亲水性基团和改性烷基取代；
所述芳基或芳香环为5～10元单环或稠合双环；
所述杂芳基或芳香杂环为环上含有选自N、O、S或Si中的至少一种杂原子的5～10元单环或稠合双环；
所述卤原子各自独立地选自F、Cl、Br、I；
所述亲水性基团为羟基、磺酸基、硫酸基、磷酸基、伯氨基、仲氨基或叔氨基及其取代物；
所述单环亚环烃基为4～7元亚环烃基；
所述双环亚环烃基为5～7元双环亚环烃基；
所述桥联脂杂环为环上含有选自N、O、或S中的至少一种杂原子的5～20元桥联脂杂环。


3.根据权利要求2所述的荧光探针，其特征在于：
所述蛋白标签为提纯品、未提纯品或存在于细胞或组织的原位状态；
可选地，所述蛋白标签为O6-烷基鸟嘌呤-DNA烷基转移酶(SNAP-tag)或其突变体、烷基胞嘧啶转移酶(CLIP-tag)或其突变体；
可选地，所述O6-烷基鸟嘌呤-DNA烷基转移酶的突变体选自SNAPF33G或SNAPV164E；
可选地，所述蛋白标签为O6-烷基鸟嘌呤-DNA烷基转移酶(SNAP-tag)或其突变体；

【专利技术属性】
技术研发人员：朱麟勇，杨弋，张大生，杜增民，鲍丙坤，林秋宁，陈显军，杨立朋，包春燕，葛一会，刘韧玫，陈政达，张思铜，李宁峰，华鑫，
申请(专利权)人：纳莹上海生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31