CN106397316B - 一种具有电荷转移特性的荧光探针及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有电荷转移特性的荧光探针及其制备方法和用途，属于化学合成、化学分析和生物分析领域。由于探针结构中含有供电子三苯胺和缺电子的喹啉盐部分，所以具有分子内电荷转移性质。该荧光探针合成路线可操作性强，纯化方法简单，制备成本低廉，具有较好市场竞争力。该荧光探针结构稳定，荧光背景低，与G‑四链体特异性结合后荧光增强超过百倍。通过荧光光谱可快速检测出DNA样品的二级结构，克服了现有技术价格昂贵，周期长，技术操作复杂等缺陷。

Description

一种具有电荷转移特性的荧光探针及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及一种新型荧光探针的构建及其制备方法和用途，属于化学合成、化学分析和生物分析领域。
背景技术
G-四链体DNA是一种特殊的DNA结构，是富含鸟嘌呤碱基的单链DNA序列在一定条件下由自身四个鸟嘌呤环通过Hoogsteen氢键自组装成G-四分体，两个或多个G-四分体通过π-π堆积作用进而形成的一种高级DNA二级结构。近年来生物信息学的研究表明，在人体内大约有37万组可能形成G-四链体结构的富含鸟嘌呤的基因序列，特别是在人体端粒末端和癌基因启动子区(如c-myc、ckit、bcl-2、Pu27、kRAS、VEGFR、TERT等)较为常见。G-四链体结构对于维持染色体稳定以及在相关基因的表达方面有着重要的作用，且与癌症的发生、发展密切相关。因此，G-四链体DNA结构的发现及现代分子生物学和医学对G-四链体重要生理功能的揭示，为解决抗肿瘤药物中靶向性问题提供了一个新的契机。寻求特异性靶向这种特殊G-四链体DNA结构的分子，就有可能影响到肿瘤基因的转录以及表达，从而抑制肿瘤细胞的生长发展，促使其调亡。
在自然界中存在着与特定结构核酸结合的蛋白质，但是目前这类蛋白质结构复杂不利于修饰改进，而且与核酸结合机制十分复杂。因此，这类研究还存在诸多困难。有机小分子具有多种多样的立体结构，自身具有可修饰性及可控性，为发展G-四链体识别分子奠定了基础。同时G-四链体与双螺旋DNA在结构上的极大差异性为选择性识别的小分子设计提供了可能。随着分子生物学和结构生物学的发展，G-四链体DNA的结构多样性和生物功能性得到不断阐明。以各种构型的G-四链体为识别靶点的小分子研究引起了研究人员广泛的兴趣和重视(Expert Opinion On Therapeutic Patents,2013,23,11,1495-1509)。
目前，小分子识别G-四链体DNA主要是通过非共价键完成，在作用靶点和作用机制的研究方面上存在一定技术困难，这就需要借助某种信号媒介才能被快速检测。常用的仪器手段有圆二色谱，核磁共振，表面等离子共振等。这些方法对仪器要求较高，而且价格昂贵，难以普及。荧光分子能够将这种结合信息转换成易检测的信号响应，而且可在单分子水平上实现原位实时检测，同时还具有检测限低，灵敏度高等优点。因此，以荧光为输出信号的识别分子受到了极大的关注，广泛应用于生物学、医学、化学等学科。另外，目前识别G-四链体DNA的小分子化合物还有待于进一步解决的问题是如何提高小分子对G-四链体的选择性。很多识别G-四链体的小分子与双螺旋DNA都有一定的结合能力，因此小分子与G-四链体结构的作用选择性有待提高。
近年来，三苯胺由于其较好的给电子能力和稳定特性，使得三苯胺类结构成为荧光探针分子设计的重要骨架之一，广泛用于生物，医药，材料，染料等领域。申请人前期合成了一系列芳基乙烯类化合物，其对G-四链体具有较好的结合能力。申请人将三苯胺骨架结合到芳基乙烯结构中，得到了一种具有分子内电荷转移性质的新型三苯胺类荧光探针。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有分子内电荷转移特性的荧光探针及其合成方法和在G-四链体结构检测中的应用。
本发明提供了一种具有电荷转移特性的荧光探针，所述探针结构如下：
本发明同时提供了上述探针的制备和纯化方法，反应方程式表示如下：
上述一种具有电荷转移特性的荧光探针的制备方法，按照下述步骤进行：以正丁醇为溶剂，加入4-甲酰基三苯胺、4-氯-1,2-二甲基喹啉碘鎓和N，N-二甲基乙二胺，110-120℃加热反应12-15小时；反应后自然冷却至室温，减压蒸馏除去溶剂，加入50mL二氯甲烷搅拌10分钟，过滤得固体产物，再用20mL二氯甲烷洗涤固体两次，得到具有电荷转移特性的荧光探针。
其中所述的4-甲酰基三苯胺、4-氯-1,2-二甲基喹啉碘鎓和N，N-二甲基乙二胺的摩尔比为1:1.2:1.3。
本发明还提供上述一种具有电荷转移特性的荧光探针在溶液中的稳定性以及在检测G-四链体结构中的应用，按照下述步骤进行：
1)将探针用二甲基亚砜溶解，再用pH 7.4的10mM Tris-HCl缓冲溶液(含60mM氯化钾)稀释得到溶液B；将待测DNA样品用上述缓冲溶液溶解得到溶液A。
2)用紫外分光光度计测定探针溶液B在0-24小时内的吸收曲线，以此来判定探针的稳定性。如若在0-24小时内吸收曲线没有明显的变化或出现新的吸收峰则判定探针在此条件下能稳定存在。
3)将溶液B和溶液A混合，混合后对混合液进行荧光光谱分析，若混合液荧光发射强度明显增强，则可判断该DNA结构为G-四链体，若混合液荧光发射强度没有明显增强，则可以判定该DNA结构为非G-四链体。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)该探针制合成路线可操作性强，纯化方法简单，总体制备成本低廉，具有较大的市场竞争力。
(2)该探针结构稳定，易于存储。
(3)本发明提供的探针发射波长长，而且荧光背景低，使得该探针具有广阔的应用前景。
(4)本发明的探针可以通过荧光光谱特异性检测和识别G-四链体结构的DNA，实现G-四链体结构与其他单、双链DNA的区分。操作简单，便捷。
(5)在研究抗癌先导化合物方面具有潜在的参考价值。
附图说明
图1为10μM的荧光探针在0-24小时内的紫外吸收曲线。
图2为1μM的荧光探针与反平行G-四链体Ckit3滴定的荧光光谱(ckit3浓度为0.04、0.08、0.12、0.16、0.2、0.24、0.28、0.32、0.36、0.4μM)。
图3为1μM的荧光探针与平行G-四链体CM22滴定的荧光光谱(cm22浓度为0.04、0.08、0.12、0.16、0.2、0.24、0.28、0.32、0.36、0.4、0.44μM)。
图4为1μM的荧光探针与反平行G-四链体HRAS滴定的荧光光谱(HRAS浓度为0.04、0.08、0.12、0.16、0.2、0.24、0.28、0.32、0.36、0.4、0.44、0.48μM)。
图5为1μM的荧光探针与平行G-四链体c-myc滴定的荧光光谱(c-myc浓度为0.04、0.08、0.12、0.16、0.2、0.24、0.28、0.32、0.36、0.4μM)。
图6为1μM的荧光探针与平行G-四链体22AG滴定的荧光光谱(22AG浓度为0.04、0.08、0.12、0.16、0.2、0.24、0.28、0.32、0.36、0.4、0.44、0.48μM)。
图7为1μM的荧光探针与反平行G-四链体G3T3滴定的荧光光谱(G3T3浓度为0.04、0.08、0.12、0.16、0.2、0.24、0.28、0.32、0.36、0.4、0.44、0.48、0.52、0.56、0.6、0.64μM)。
图8为1μM的荧光探针与混合构型G-四链体htg-21滴定的荧光光谱(htg-21浓度为0.04、0.08、0.12、0.16、0.2、0.24、0.28、0.32、0.36、0.4、0.44、0.48、0.52μM)。
图9为1μM的荧光探针与平行构型G-四链体Ckit1滴定的荧光光谱(ckit1浓度为0.04、0.08、0.12、0.16、0.2、0.24、0.28、0.32、0.36、0.4、044、0.48μM)。
图10为1μM的荧光探针与双链DNA ds26滴定的荧光光谱(ds26浓度为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6μM)。
图11为1μM的荧光探针与双链DNA polyd(A-T)9滴定的荧光光谱(polyd(A-T)9浓度为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8μM)。
图12为1μM的荧光探针与双链DNA polyd(G-C)9滴定的荧光光谱(polyd(G-C)9浓度为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8μM)。
图13为1μM的荧光探针与双链DNA ct-DNA滴定的荧光光谱(ct-DNA浓度为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2μM)。
图14为1μM的荧光探针与单链DNA ss26滴定的荧光光谱(ss26浓度为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2μM)。
图15为荧光探针与13种DNA作用后的荧光增强倍数柱状图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步的说明，以使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案。
实施例一：荧光探针的合成
将0.27g的4-甲酰基三苯胺溶于20mL的正丁醇中，加入0.38g的4-氯-1,2-二甲基喹啉碘鎓和0.11g的N,N-二甲基乙二胺，120℃反应15h。反应完自然冷却至室温，蒸出溶剂。加入50mL二氯甲烷搅拌10分钟，过滤得固体产物，再用20mL二氯甲烷洗涤固体两次，得到0.21g纯品。产率为34.4％。核磁氢谱1H NMR(400MHz,DMSO-d6)δ:9.45(s,1H),8.86(s,1H),8.49(d,J＝8.12Hz,1H),8.26(d,J＝8.84Hz,1H),8.07(t,J＝7.52Hz,1H),7.84-7.78(m,4H),7.56(d,J＝15.76Hz,1H),7.40-7.36(m,4H),7.17-7.10(m,6H),6.99(d,J＝8.12Hz,2H),4.16(s,3H),4.03(s,2H),3.46(s,2H),2.90(s,6H).核磁碳谱1C NMR(100MHz,DMSO-d6)δ:155.45,154.19,149.84，146.91,142.77,139.96,134.56，130.54，130.43，128.90，126.85，125.74，124.92，121.56，119.57，118.32，118.08，97.98，55.08，43.47，38.79，38.41.高分辨质谱HRMS(ESI)：理论值：(M-I)+(C34H35N4 +)499.2856，实验值：499.2859。
实施例二：荧光探针的稳定性
1.将荧光探针用DMSO溶剂配制成5mM的储存液，再用10mM的Tris-HCl的缓冲溶液(pH 7.4，含60mM KCl)稀释成10μM浓度的探针溶液用于测试。
2.紫外吸收光谱的测定。用紫外分光光度计在时间为0，0.1，0.5，1，2，5，7，11，20，24小时测试上述探针溶液在360-600nm的吸收光谱，以此来判定该荧光探针的稳定性。结果如图1所示，探针在0-24小时内的紫外吸收并没有发生明显的变化，没有新的吸收峰出现，表明在实验条件下，探针能够稳定存在于溶液中。
实施例三：DNA样品的检测
1.DNA样品的制备。DNA样品购于上海生工股份有限公司。将DNA样品溶于适量的缓冲溶液(10mM Tris-HCl，pH 7.4，60mM KCl)中，根据样品溶液在260nm处的紫外吸收值和摩尔吸光系数计算其浓度。
其中，所用的DNA序列为：
Ckit3：GGCGAGGAGGGGCGTGGCCGGC
CM22：TGAGGGTGGGTAGGGTGGGTAA
HRAS：TCGGGTTGCGGGCGCAGGGCACGGGCG
c-myc：TTGAGGGTGGGTAGGGTGGGTAAA
22AG：AGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGG
G3T3：GGGTTTGGGTTTGGGTTTGGG
htg-21：GGGTTAGGGTTAGGGTTAGGG
Ckit1：AGGGAGGGCGCTGGGAGGAGGG
ds26：CAATCGGATCGAATTCGATCCGATTG
polyd(A-T)9：ATATATATATATATATAT
polyd(G-C)9：GCGCGCGCGCGCGCGCGC
ct-DNA：小牛胸腺DNA
ss26：CCGCGAACGCCTAAGCTGCTAACCGC
2.探针溶液的制备。将荧光探针用DMSO溶剂配制成5mM的储存液，再用10mM的Tris-HCl的缓冲溶液(pH 7.4，含60mM KCl)稀释成1μM浓度的探针溶液用于测试。
3.荧光光谱检测。固定荧光探针溶液的浓度为1μM，往探针溶液中分别滴加不同的DNA样品，均匀后稳定1分钟，用荧光光谱测定体系的荧光发射，设定470nm为激发波长。如果体系的荧光强度增强100倍以上，则可判定待测DNA样品为G-四链体结构，如果体系只有微弱的荧光增强，则可判定待测DNA样品为非G-四链体结构。如图中2-10所示，htg-21，Ckit1，Ckit3，G3T3，CM22，22AG，c-myc，HRAS为G-四链体结构，而ct-DNA，ss26，ds26，polyd(A-T)9，polyd(G-C)9为非G-四链体结构。

Claims (4)

1.一种具有电荷转移特性的荧光探针，其特征在于所述探针结构如下：
。
2.根据权利要求1所述的一种具有电荷转移特性的荧光探针的制备方法，其特征在于按照下述步骤进行：以正丁醇为溶剂，加入4-甲酰基三苯胺、4-氯-1,2-二甲基喹啉碘鎓和N，N-二甲基乙二胺，110-120℃加热反应12-15小时；反应后自然冷却至室温，减压蒸馏除去溶剂，加入二氯甲烷搅拌10分钟，过滤得固体产物，再用二氯甲烷洗涤固体两次，得到具有电荷转移特性的荧光探针。
3.根据权利要求2所述的一种具有电荷转移特性的荧光探针的制备方法，其特征在于其中所述的4-甲酰基三苯胺、4-氯-1,2-二甲基喹啉碘鎓和N，N-二甲基乙二胺的摩尔比为1:1.2:1.3。
4.根据权利要求1所述的一种具有电荷转移特性的荧光探针在检测G-四链体结构中的应用，其特征在于按照下述步骤进行：
1）将探针用二甲基亚砜溶解，再用pH 7.4的含有60 mM氯化钾的10 mM三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲溶液稀释得到溶液B；将待测DNA样品用上述的缓冲溶液溶解得到溶液A；
2）用紫外分光光度计测定探针溶液B在0-24小时内的吸收曲线，以此来判定探针的稳定性；
如若在0-24小时内吸收曲线没有明显的变化或出现新的吸收峰则判定探针在此条件下能稳定存在；
3）将溶液B和溶液A混合，混合后对混合液进行荧光光谱分析，若混合液荧光发射强度明显增强，则可判断该DNA结构为G-四链体，若混合液荧光发射强度没有明显增强，则可以判定该DNA结构为非G-四链体。
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