Computer simulation and design of DNA-nanoprobe for fluorescence imaging DNA repair enzyme in living cells

纳米探针 AP站点 DNA 合理设计 荧光 DNA修复 核酸内切酶 DNA损伤 生物物理学 化学 纳米技术 生物化学 生物 材料科学 物理 量子力学
作者
Chen Tian,Guangzhong Liang,Chunyi Wang,Ruikai He,Keni Ning,Zhe Li,Runduo Liu,Yan Ma,Shixia Guan,Jiewei Deng,Junqiu Zhai
出处
期刊:Biosensors and Bioelectronics [Elsevier]
卷期号:211: 114360-114360 被引量:9
标识
DOI:10.1016/j.bios.2022.114360
摘要

In situ imaging of DNA repair enzymes in living cells gives important insights to diagnosis and explore the formation of various diseases. Fluorescent probes have become a powerful and widely used technique for their high sensitivity and real-time capabilities, but empirical design and optimization of the corresponding probes can be blind and time-consuming. Herein, we report a strategy combining experimental studies with molecular simulation techniques for the rapid and rational design of sensitive fluorescent DNA probes for a representative DNA repair enzyme human apurinic/apyrimidinic endonuclease 1 (APE1). Extended-system Adaptive Biasing Force (eABF) was applied to study the interaction mechanism between DNA probes with respect to the enzyme, based on which a novel sensitive DNA probe was designed efficiently and economically. Product inhibition effect which significantly limited the sensitivity of existing probes was eliminated by decreasing the key interactions between DNA probe products and enzyme. Experimental mechanism studies showed the existence of intramolecular hairpin structure in DNA probes is important for the recognition of APE1 and elimination of product inhibition, which is in consistent with the simulations. The obtained fluorescent DNA nanoprobe (Nanoprobe N) showed a high sensitivity for APE1 with the detection limit as low as 0.5 U/L (∼0.018 pM), and the Nanoprobe N could effectively respond to the variation of APE1 within cells and distinguish cancer cells from normal cells. This work not only demonstrated the effectiveness of molecular simulations in probe design, but also provided a reliable platform for accurate imaging of APE1 and effectors screening at single-cell level.
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