我们提供了利用特定长度的硫代磷酸酯DNA制备单价靶向量子点(mQDs)的详细步骤。DNA缠绕反应产率高,因此产物无需纯化。我们展示了如何利用SNAP标签将mQDs靶向至细胞表面受体,用于活细胞成像应用。
我们提供了利用特定长度的硫代磷酸酯DNA制备单价靶向量子点(mQDs)的详细步骤。DNA缠绕反应产率高,因此产物无需纯化。我们展示了如何利用SNAP标签将mQDs靶向至细胞表面受体,用于活细胞成像应用。
商用量子点(QDs)具有多价特性,而单价量子点的制备存在困难,这限制了其在生物学中的应用——在生物学研究中,生物分子的聚集和空间组织往往是研究的重点。本文介绍一种制备单价量子点(mQDs)的实验方案,该方法可在大多数生物研究实验室中通过将CdSe/ZnS核壳结构的QDs与特定长度的硫代磷酸酯DNA(ptDNA)简单混合即可完成。当一条ptDNA链包裹量子点后,其他DNA链便无法再结合到其表面。以这种方式制备mQDs可实现小规模与大规模生产,仅需商用试剂且步骤最少。这些mQDs可通过与互补的单链靶向DNA杂交,特异性地靶向生物学目标。我们通过将带有苄基鸟嘌呤基团的mQDs用于标记活体哺乳动物细胞上SNAP标记的Notch受体,展示了此类mQDs作为成像探针的应用。
单个分子在活细胞上的动态行为与其生物学功能密切相关。单分子荧光成像是一种研究细胞表面单分子动态的常用方法1,2,3。然而,这些研究中最常用的成像探针存在若干重要缺陷。例如,传统的有机染料和荧光蛋白亮度中等,摩尔消光系数约为 105–106 M-1 cm-1,但光化学稳定性差,在典型的活细胞成像条件下发射约 105–106 个光子后即发生漂白4,5。相比之下,半导体纳米粒子(常称为量子点,QDs)亮度显著更高且更加稳定,其消光系数在 106–107 M-1 cm-1 范围内,并在发生光漂白前可发射超过 107–108 个光子5。与有机荧光团相比,量子点在亮度和光稳定性方面的提升使得能够在显著更快的帧率下以及更长的轨迹中对单个分子进行观测6。
尽管这些强大的成像试剂具有优势并已实现商业化,但仍存在若干缺陷。首先,其靶向价态定义不明确,可能导致靶向生物分子发生交联6。其次,它们通常具有较大的流体力学尺寸(> 20 nm),限制了其在某些空间拥挤的细胞环境中的可及性7。第三,其靶向模块化能力有限7。已有多种策略尝试解决这些问题8,9,10,但通常需要专门的知识和试剂才能实施。
为了解决这些问题,我们近期报道了一种制备单价、小尺寸且模块化的量子点(QDs)的“空间排阻”策略11。这些量子点被一条长链硫代磷酸酯DNA(ptDNA)聚合物包裹。ptDNA通过其聚合物上的硫代磷酸酯基团与量子点表面暴露的锌原子之间形成的多个Zn-S相互作用,结合到量子点表面。单条结合的聚合物通过空间位阻和静电排斥作用,阻止了额外等量聚合物的结合,同时并未显著增加颗粒的整体尺寸(约2 nm)。所有试剂均可商业获得,产物收率高,且纯化过程仅需脱盐步骤。标记完成后,包裹单条ptDNA的量子点(mQDs)可与携带靶向结构域(例如,苄基鸟嘌呤(BG)、苄基胞嘧啶或烷基卤化物)的互补DNA链结合。
这些功能可将磁性量子点(mQDs)特异性地靶向至SNAP、CLIP等酶标签 & HALO,且该蛋白与目标蛋白基因融合。本方案用于通过空间排阻法合成、靶向及活细胞成像mQDs。
1. 单价量子点的制备
| DNA | 序列 |
| 5’-AS50(CT)10(ACTG)5-3' | ASASASASASASASASASASASASASASASAS ASASASASASASASAS ASASASASASASASASAS ASASASASASASASASASASASASASASASASAS CTCTCTCTCTCTCTCTCTCTACTGACTGACTGACTGACTG |
| 5’-NH2-(CT)10(CAGT)5-3' | NH2-/C6spacer/ CTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGT |
| BG-DNA | BG-/C6spacer/ CTCTCTCTCTCTCTCTCTCTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGT |
表1. 用于生成和靶向mQD的DNA序列。
2. 靶向(苄基鸟嘌呤-)DNA 的制备
3. 使用单价量子点标记活细胞
4. 显微镜观察 & 分析
量子点从有机相转移到水相是制备修饰量子点(mQDs)的关键步骤,但该过程可能因实验条件和量子点本身的特性而异。第1.1节中的相转移结果应如图3中前两个小瓶所示那样清晰。如果转移结果更接近第3个小瓶的情况,则应尝试更换条件重新进行实验。
一旦量子点(QDs)被带负电荷的DNA包被,它们在凝胶电泳中的迁移位置应与未包被的QDs分离。以未包被的QDs样品作为对照,加入质粒DNA(ptDNA)后应出现第二条迁移更快的条带,如图2B中第一块凝胶所示。当固定的条带完全消失并合并至可迁移条带时,表明mQDs已完全形成,如图2B中最后一块凝胶所示。如果您的mQD产物样品在凝胶上迁移为一条可与未包被QDs分离的单一清晰条带,则表明您的mQDs为单价态,可用于后续实验步骤。
细胞标记应针对您选择的靶标,并取决于蛋白表达水平和mQD浓度。对于任何特定应用,通常都需要对mQD浓度和mQD钝化条件进行经验性优化。图4B展示了使用浓度范围为0.5 nM至10 nM的mQD对表达SNAP标记Notch受体的U2OS细胞进行标记的结果。

图1. mQD的模块化靶向。 mQD与由多种靶向分子功能化的ssDNA杂交。连接苯甲基鸟嘌呤的DNA可将mQD靶向SNAP标记的融合蛋白。其他5’端修饰和DNA序列可实现mQD对多种其他生物分子的靶向。请点击此处查看该图的放大版本。

图2. mQDs的制备示意图。(A)有机相量子点(QDs)通过mPEG硫醇和TBAB处理转移至水相,随后用ptDNA包裹,并以羧基化PEG6烷基硫醇进行钝化。代表性透射电子显微镜(TEM)图像分别为有机相QD545、QD585和QD605。(B)上述第二步中量子点与ptDNA相互作用化学计量比的经验测定方法。通过密度测定法实证验证QD与ptDNA的化学计量比,使最终反应的化学计量比为1:1(QD:ptDNA)。初始ptDNA的摩尔数乘以QD:mQD的比值,并根据偶联后的实际体积进行调整,以计算出实现1:1偶联所需的ptDNA摩尔数。请点击此处查看该图的放大版本。

图3. mQDs制备的实验细节。(A)成功与失败相转移的代表性照片。量子点应在密度较高的有机相与密度较低的水相之间发生明显的转移。相分离不完全表明转移效果不佳。(B)ptDNA可被烷烃-PEG-硫醇取代。右侧凝胶数据代表了一个发生显著ptDNA从量子点表面被置换的反应,原因是过度钝化所致。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4. 在活细胞上标记 SNAP-标签蛋白。(A)示意图,展示 SNAP-标签受体的表达、结合及使用靶向 BG 的多价量子点(mQD)进行标记的过程。(B)在不同 mQD 浓度下,表达 SNAP-Notch-mCherry 构建体的细胞的代表性标记结果。使用 PEG12 钝化的 mQD 与 mCherry 共定位,表明实现了特异性标记。较低的标记密度(<0.5 nM)通常更适用于单粒子追踪实验。比例尺为 10 μm。请点击此处查看该图的放大版本。
mQD 设计的模块化特性使其具备更高的实验灵活性。例如,可快速制备多种不同颜色的 mQD,从而实现对多个靶标的同步成像。单链 DNA 靶向序列可将 mQD 引导至蛋白质、糖类12、脂质和表面13。目前已有多种具有正交反应性的酶标签可供使用,使得不同靶向的 mQD 能够同时对多个靶标进行成像。除了使用 SNAP 标签进行靶向外,利用 CLIP 标签、HALO 标签以及生物素化蛋白质对靶标蛋白进行 mQD 标记也已成功实现。本方案展示了利用这些 mQD 对活细胞表面受体进行特异性标记的方法,但该方案亦可轻松适用于多种不同实验场景。
制备具有确定价态的磁性量子点(mQDs)的关键方法学见解在于,需要约50个硫代磷酸酯连接的碱基来包裹量子点(从而防止两个分子同时结合)。poly-AS50序列可重复且稳定地结合Life Technologies公司生产的605 nm量子点。尽管该产品已停产,但这种空间位阻排斥策略可推广应用于其他厂商生产的具有不同尺寸、形状和光谱特性的类似产品。
ptDNA 包被的量子点(QDs)的效率和稳定性在很大程度上取决于量子点的表面化学性质和结构。因此,实验方案的成功与否将依赖于所用量子点的商业来源及其化学结构。在本实验方案中,不同商业来源的量子点主要存在三个方面差异:相转移所需条件的不同;初始 PEG-硫醇配体结合强度的差异,可能阻碍 ptDNA 的取代;以及暴露的 CdSe 核心程度的不同,可能导致 mPEG 硫醇相转移条件下量子点发生荧光淬灭。
截至发表时,用于制备磁性量子点(mQDs)的最佳结构量子点为购自 Life Technologies 的 4–10 nm CdSe/ZnS 核/壳结构量子点,其发射光谱分别为 545、585、605 & 625 nm(图 2A)。基于“Vivid”配方的量子点(545,605, 等等。)在加入mPEG巯基后会发生猝灭,因此不适用于此应用。Aldrich和Ocean Nanotech的量子点效果良好,但需要更长的相转移步骤,并需用三辛基氧化膦进行预处理。本方案已针对Life Technologies的量子点进行优化。
用于包裹量子点的聚腺苷酸磷硫酰化序列,其末端连接了一段含有( ACTG )5序列的天然20聚体DNA尾部,靶向链可与此序列杂交。该序列具有便利性,因其几乎不形成二级结构,并且在PBS缓冲液中37 °C条件下仍能保持杂交状态。若具备DNA合成仪,可自行合成ptDNA,随后使用C8柱通过反相高效液相色谱(HPLC)进行纯化。与具有天然骨架的等长寡核苷酸相比,ptDNA在HPLC中的洗脱时间更晚。我们通常在纯化后保留磷硫酰化寡核苷酸5’端的DMT保护基团。
对于大多数实验应用,通常需要对ptDNA包裹的量子点(QDs)进行钝化处理,以提高其胶体稳定性并降低背景结合。本方案采用聚乙二醇(PEG)层对量子点进行钝化。使用带有额外PEG单元的羧基-PEG烷基硫醇((CO2H)CH2O(CH2CH2O)12C11H23SH,即羧基-PEG12烷基硫醇)可显著降低背景信号,但较长的PEG链体积更大,且通常成本更高。使用羧基-PEG烷基硫醇配体包覆的多功能量子点(mQDs)在生理缓冲液(如磷酸盐缓冲盐水和培养基)中具有高度稳定性。在4 °C下长期储存(> 8个月)的mQDs未显示明显聚集或ptDNA脱落11。根据具体实验需求,仅对量子点进行PEG钝化并不总能充分降低mQDs的非特异性结合。在使用前,将细胞和mQDs在含3% BSA的磷酸盐缓冲盐水(PBS)中孵育20分钟,可显著减少与细胞的非特异性结合,但会使mQDs的表观流体动力学半径增加约50%。使用0.5%酪蛋白进行钝化可进一步降低非特异性结合,但其导致的粒径增大程度比BSA更显著。
与mQDs互补的DNA链的5’端可进行修饰,以实现对多种不同生物分子的靶向。目前已有多种成熟技术可用于蛋白质、脂质的共价修饰 & 单链DNA(ssDNA)结合。只要ssDNA呈递在细胞外,即可被可溶性mQD接触。在细胞培养条件下,带有上述序列的mQD会迅速与其互补DNA链发生杂交。为了实现高效靶向,可能需要在ptDNA与靶向序列之间插入一段10–20倍的聚(CT)间隔序列,以将结合序列抬升至细胞表面厚且带负电荷的糖萼之上。在本实验方案中,我们选择制备一种BG-DNA,其互补序列为(CAGT)5 该物质可同时与mQDs杂交,并通过共价键连接至SNAP-tag蛋白,实现快速且特异性的标记。类似的方案也适用于将其他NHS酯类化合物与氨基修饰的寡核苷酸进行偶联。
对于单分子成像,通常需要较低的标记密度以分辨单个分子。在含有钝化剂的 PBS 中,mQD 的终浓度约为 0.5 nM 是一个理想目标。然而,这种高倍稀释有时会导致细胞标记不足。若发生此情况,可追加 mQD 直至观察到理想的标记密度。以 SNAP 标记的人源 Notch1 为例,当 mQD 浓度高于>10 nM 时,细胞呈现密集标记,而 0.5 nM mQD 则导致靶向细胞基底表面约有 20 个 mQD 结合(见图 4B)。细胞的 mQD 标记效果高度依赖于接种细胞的融合度。过度融合的细胞在其基底表面无法有效标记。
综上所述,本文介绍了一种制备单价且模块化量子点(QDs)的简便方法。这些单价量子点(mQDs)在活细胞成像中具有广泛的应用价值,如在活体U2OS细胞中对Notch受体的成像所示。mQDs的应用不仅限于这一特定案例,还可有望拓展至其他细胞靶标,如其他蛋白质、核酸和酶。
作者无任何利益冲突披露。
由美国国防部W81XWH-10-1-1023项目(Z.J.G.)、加州大学旧金山分校系统与合成生物学中心资助项目P50 GM081879(Z.J.G.)、美国国立卫生研究院5R21EB015088-02(Y.J.)和1R21EB018044(Z.J.G. & Y.J.)提供资金支持。D.S. 受人类前沿科学计划跨学科博士后研究奖学金资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| <强>mQD 的生产 | |||
| 磷酸硫代DNA | |||
| (A*)x50-(ACTG)x5 | IDT | 大多数DNA合成公司 | |
| 量子点: | |||
| QDots 525、585、605 &和 625 | Invitrogen | Q21791MP (545), Q21711MP (585), Q21701MP (605) | QD625的定制化量子点合成 |
| QD610 | Ocean Nanotech | QSP-610-10 | |
| QD 610 lamda | Aldrich | 731854 | |
| 氯仿,99.8% | ACROS | 67-66-3 | |
| 四丁基溴化铵,98.0% | Sigma-Aldrich | 426288 | |
| mPEG 巯基 [2,5,8,11,14,17,20-七氧杂二十二烷-22-硫醇],分子量 354.5,纯度 95% | Polypure | 11156-0695 | |
| 造血干细胞11EG6CO2H [HS-(CH2)11-(OCH2CH2)6-OCH2CO2H] | ProChimia | TH 003-m11.n6-0.1 | |
| 硼酸,99.5% | Sigma-Aldrich | B0394 | |
| 氢氧化钠,99.0% | ACROS | S/4845 | |
| 氯化钠,98% | Sigma-Aldrich | 310166 | |
| 低电渗琼脂糖 | 美国生物技术资源 | G02PD-125 | |
| 乙醇 | Sigma-Aldrich | 459828 | |
| <强>BG-DNA 制备 | |||
| 胺基DNA | |||
| (CAGT)5-NH2 | IDT | N/A | 大多数DNA合成公司 |
| (CAGT)5(T)40-NH2 | IDT | N/A | 大多数DNA合成公司 |
| NHS-GLA-苄基鸟嘌呤 | 新英格兰生物实验室 | S9151 | |
| DMSO | Sigma-Aldrich | D8428 | |
| HEPES缓冲液 | Sigma-Aldrich | 83264 | |
| NAP5 柱 | GE Healthcare | 17-0853-01 | |
| C18 柱 | |||
| 乙腈 | |||
| <强>哺乳动物细胞培养 &与成像 | |||
| 表达SNAP标签蛋白的细胞系 | 新英格兰生物科学公司 | E9100S | |
| McCoys 5A | 加州大学旧金山分校细胞培养中心 | 特定于U2OS细胞培养 | |
| 胎牛血清 | 加州大学旧金山分校细胞培养中心 | 特定于U2OS细胞培养 | |
| PBS | 加州大学旧金山分校细胞培养中心 | ||
| Nunc Lab-tek II 培养皿盖玻片 | 赛默飞世尔科技 | 155409 | |
| Matriplate 96孔板 | 布鲁克斯生命科学系统 | MGB096-1-2-LG-L | |
| BSA | |||
| 5% 碱溶性酪蛋白 | EMD Millipore | 70955 | 并非所有酪蛋白都相同 |
| <强>(可选)DNA 合成试剂 | |||
| 5’ C6 胺基修饰剂 | Glen Research | 10月6日 | |
| dA-硫代亚磷酰胺 | 格伦研究公司 | 10-700 | |
| <强>分析软件 | |||
| FIJI | http://valelab.ucsf.edu/~schindelin/ | ||
| RyTrack.pro | http://sun.iwu.edu/~gspaldin/rytrack.html | ||
| 追踪器 | http://www.gartnerlab.ucsf.edu/more/software |