Chemical Society Reviews | 利用核碱基编辑酶实现高性能生物成像和生物传感

核碱基是DNA和RNA的基本单位，经历多种化学修饰和损伤，调控基因组稳定性、表观遗传状态和细胞功能。核碱基编辑酶，包括脱氨酶、甲基转移酶/脱甲基化酶和DNA糖苷酶，能够以高分辨率催化精确的碱基转换、修饰/去修饰或切除反应，而不诱导双链断裂。这些酶最初研究于转录组多样化、表观遗传调控和DNA修复，如今越来越多地被重新用作生物感测和生物成像应用中的可编程执行器。本综述首先概述了代表性核碱基编辑酶的催化原理，重点关注底物识别、反应机制及生理功能。随后，我们强调这些酶如何通过三种主要模式整合进生物感应和生物成像模块：核碱基转换，即通过定点脱氨实现高效的荧光蛋白报告蛋白翻译或特异性DNA探针杂交信号;核碱基修饰/脱变性，即甲基化和去甲基化事件调控下游选择性酶活性催化或程序性功能性核酸激活;以及核碱基消除，即糖苷酶介导的碱基切除促进特定探针适应或酶催化的高效扩增。此类核碱基编辑酶驱动系统具有高特异性、高效扩增和与生理条件高度兼容，使核酸、蛋白质和细胞过程能够实现灵敏且时空分辨率的监测。最后，我们讨论了这一新兴领域的优势、挑战及未来发展方向。酶工程、递送策略和多回路集成的进步预计将催生具有更高精度、可扩展性和临床应用性的下一代生物分析平台。这些发展共同确立了核碱基编辑酶作为一种多功能分子工具箱，连接了基础酶学与应用生物技术，用于诊断、治疗监测和合成生物学。

该研究以题为“High-performance bioimaging and biosensing via nucleobase-editing enzymes”发表在Chemical Society Reviews上。

图1

这些不同核碱基编辑酶介导的生物成像和生物感测应用的基本反应原理，主要由核碱基转换、核碱基修饰/去改性以及核碱基消除驱动。

图2

脱氨酶的核碱基转化。（A） 胞嘧啶脱氨酶催化了胞嘧啶的水解脱氨，生成尿苷（C到U），并释放氨作为副产物。（B）腺苷脱氨酶催化腺苷水解脱氨（A到I），并在反应过程中释放氨。

图3

通过甲基转移酶和去甲基转移酶进行核碱基修饰/去修饰。（A）甲基转移酶和去甲基转移酶催化了DNA中胞嘧啶的修饰和去修饰过程。（b）甲基转移酶和去甲基化酶催化RNA中腺苷的修饰和去修饰过程。

图4

DNA糖苷酶对核碱基的消除。DNA糖苷酶识别并切除受损碱基，形成AP位点。

图5

核碱基转换诱导报告基因的快速表达用于RNA感测。（A）利用腺苷脱氨酶作用于RNA的RNA感测方法示意图（RADAR），ADAR将腺苷编辑为肌苷，并将终止密码子转化为蛋白质报告转录本。经施普林格自然报许可，2022年版权所有，转载自参考文献85。（B）自催化回路示意图，内源性ADAR编辑停止密码子，使ADAR2表达过活跃，反馈报告器输出。经《施普林格自然》许可，2023年版权所有，转载自参考文献86。（C）基于发夹式的ADAR传感器，用于各种生物分子成像，其中靶点结合激活带有ADAR编辑位点的发夹，实现A到I在停止密码子和报告翻译的编辑，用于检测RNA、蛋白质或小分子。GFP：绿色荧光蛋白。经牛津大学出版社许可，版权归2024年，转载自参考文献87。

总结

围绕核碱基编辑酶的催化特性展开，把脱氨、甲基化/去甲基化、糖苷酶切除三类反应转化为可检测信号。通过底物识别与反应机制设计，将碱基转换、修饰/去修饰和碱基擦除分别接入荧光报告、探针杂交、功能性核酸激活及信号扩增模块，从而对核酸、蛋白质和细胞过程实现高特异性、生理兼容的时空监测。

指向酶工程、递送策略和多回路集成的协同优化，以提升编辑精度、降低脱靶并增强复杂体系中的可靠性。这些进展推动核碱基编辑酶从基础酶学工具走向可编程生物分析平台，为诊断、监测和合成生物学提供更精准、可扩展的分子工具箱。

参考文献：

DOI:10.1039/d5cs00678c

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