G-四链体DNA(G4 DNA)结构,一种非经典的核酸二级结构,由富含串联重复鸟嘌呤(G)的DNA链折叠而成,已被证实可稳定存在于人体活细胞中。由于在促进肿瘤发生或增殖过程中扮演重要角色,G4 DNA现已成为癌症诊疗研究的新型靶标。其中,被人们广泛研究的c-MYC G4 DNA、c-KIT1 G4 DNA位于癌基因启动子区域。原癌基因c-MYC的异常表达与多种恶性肿瘤如骨肉瘤、乳腺癌等相关,c-KIT表达失调则是胃肠间质瘤(GIST)的主要致病因素。在这些基因的启动子区域所形成的G4 DNA在基因调控,基因表达和潜在的抗肿瘤中起重要作用。因此,对于这些G4 DNA的实时成像能够更加直观地理解它们的生物学功能。近年来,荧光探针因其高选择性、高分辨率、无创、实时等优点,在检测G4 DNA方面引起了极大的关注。许多优秀的有机小分子荧光探针被相继开发和报道,成功实现了G4 DNA的专一性识别,其中一些还能对活细胞中内源性G4 DNA可视化。为了与带负电荷的G4磷酸骨架和环区域更好地结合,这些探针大多被设计成带正电荷的结构。但这种高电荷探针较难穿过亲脂性的生物膜(细胞膜、核膜等),所以被用于活细胞中G4DNA的成像时常常需要较长的时间。溶酶体是细胞内的酸性亚细胞器,含有多种酶和蛋白质,能够降解自身生物大分子。异常的溶酶体pH会引起许多疾病,例如神经退行性疾病、癌症、阿尔兹海默症。因此,监测溶酶体中pH变化是至关重要的。目前,众多可靶向溶酶体的小分子荧光探针已成为观察溶酶体在细胞内行为的有力工具。作为细胞的能量工厂,线粒体是细胞内又一重要亚细胞器。它们参与如细胞信号传导、细胞死亡的调节等正常生理过程的同时,也影响着癌细胞的生长。因此,线粒体在活细胞中的可视化以及动态监测,对生理、病理活动,以及癌症早期的筛查和治疗具有重要意义。近年来,线粒体靶向的荧光探针已成为人们研究的热点。螺吡喃是一类众所周知的光致变色分子开关,被广泛应用于开发新型动态材料。这类分子的关环结构具有亲脂性特点,然而当其受外界环境刺激(如光、pH等)开环后,变成π延伸带正电荷的大共轭结构时,具有亲水性的特点。鉴于此,本论文提出一种新颖的螺吡喃原位开关策略,即通过合理的设计,螺吡喃关环结构实现快速进入细胞膜和核膜,而细胞核内的G4 DNA、细胞质中溶酶体的酸性环境或线粒体的负膜电位,原位开启螺吡喃的开环结构,产生不同的荧光信号,由此获得G4 DNA或亚细胞器的实时成像。借助于这个策略,本论文以螺吡喃为骨架,经过结构改造设计并合成了一系列螺吡喃类衍生物,成功构建出可用于核内G4 DNA实时成像核外溶酶体靶向的荧光探针QIN,可用于实时监测溶酶体pH变化的荧光探针HAN以及可用于识别核内G4 DNA标记核外线粒体的荧光探针TANG。具体研究工作如下:1.本文从一种经典的硝基螺吡喃衍生物(1)出发,通过结构导向法,经由2、3和4,优化并构建了一种选择性较高、荧光响应性能优良的新型G4 DNA螺吡喃荧光探针QIN。实验结果表明,在没有G4 DNA时,QIN会显示出蓝色荧光的螺吡喃关环形式,一旦存在G4 DNA,体系就会发射出开环形式的红色荧光,而与单链或双链DNA不发生这种现象。由于探针对c-MYC G4 DNA具有最好的响应,因此本文通过荧光滴定、紫外滴定、圆二色谱滴定和pH滴定系统研究了QIN与c-MYC G4 DNA的结合情况,其中,由pH滴定曲线获得的QIN和c-MYC G4 DNA/QIN复合物的pKa值分别为5.9和7.4。基于这个结果,本文提出了pKa转变机理用于解释二者的相互作用,即c-MYC G4 DNA诱导QIN的pKa升高,使其从关环形式转变为开环形式,从而实现了对c-MYC G4 DNA的响应。这个机理进一步通过分子对接技术和质谱实验得到验证。在细胞成像实验中,通过DNase I和RNase A的消化实验、G4稳定剂Pyridostain(PDS)的阳性对照实验,证明了QIN能够作用于细胞核内的G4 DNA。具有良好光稳定性的QIN进一步实现了G4 DNA的活细胞超分辨成像。基于螺吡喃类化合物的关-开、亲脂-亲水可切换的特点,QIN可在15秒内实现对活细胞中G4DNA的实时成像。此外,由于螺吡喃的异构化也能受到pH的调控,pH滴定结果显示出QIN是一个pH敏感的荧光探针,它也具有与溶酶体pH窗口较匹配的pKa,说明溶酶体酸性环境能使探针从关环结构转变为开环结构。共定位实验表明,QIN也能特异性地标记核外的溶酶体。2.鉴于QIN成功实现了内源性G4 DNA的实时成像,为了进一步拓展螺吡喃类衍生物对G4 DNA的应用,本文结合分子对接技术,设计开发出一种潜在的c-MYC G4DNA螺吡喃荧光探针HAN。通过体外实验研究,HAN显示出对G4 DNA选择性识别,在所有检测的G4 DNA中,对c-MYC G4 DNA具有最好的响应。同时,探针的pKa为5.0,与溶酶体pH窗口良好匹配,这说明溶酶体的酸性环境能将其转变为开环结构。然而,细胞成像表明,在六种癌细胞中,HAN均无法实现对细胞核内G4 DNA的成像。共定位实验显示,探针开环结构的红色荧光信号与LysoTracker Green DND-26的绿色荧光信号几乎完全重合,获得了高于0.94的皮尔森相关系数,说明HAN具有强的溶酶体靶向能力。此外,超分辨成像清晰地观察到圆环状的溶酶体结构。在氯喹宁刺激的MRC-5细胞中,HAN成功实现了溶酶体pH微小变化的实时监测。3.在分析了c-KIT1 G4 DNA及其小分子配体结构特点后,本文结合分子对接技术,设计了一种新型c-KIT1 G4 DNA螺吡喃荧光探针TANG并从4-甲氧基-2-硝基苯胺出发,经六步反应合成了该探针。体外实验表明TANG对平行结构的G4 DNA有良好的响应,尤其是对c-KIT1 G4 DNA具有最好的响应。在生理pH下,c-KIT1 G4DNA能够诱导TANG开环,并发生荧光信号的变化;而当pH为4.0时,c-KIT1 G4DNA的构象发生变化,但TANG的加入能够使其从混合结构转变为原来的平行结构,进一步说明TANG具有识别G4平行结构的倾向。本文将TANG应用于c-KIT高表达的GIST细胞中,实现了内源性G4 DNA的成像。此外,在细胞核外TANG不能定位溶酶体,这是由于四氢喹喔啉单元的引入,降低了探针的pKa(4.3),使之与溶酶体pH窗口不匹配,溶酶体酸性环境难以让其开环。然而,共定位实验表明,TANG能选择性定位线粒体,这可能是由于线粒体高的负膜电位可使其转变为带正电荷的开环形式。