近日，工学院生物医学工程系陈匡时课题组在《交叉科学（iScience）》上发表综述文章"Recent Advances in the Molecular Beacon Technology for Live-Cell Single-Molecule Imaging"（论文链接：https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(20)30998-6），详细介绍了分子信标（Molecular Beacon, MB）——一种具有代表性的化学荧光探针——在活细胞单分子成像中的研究进展及其面临的挑战。

MB是一种基于碱基互补配对原理的寡核苷酸探针（通常包含25~35个核苷酸），其两端分别连接有化学荧光基团与淬灭基团（MB工作原理见图1）。淬灭基团的加入使得MB具备荧光生成能力，因而成像时具有较高的信号背景比；此外，MB还拥有分子量小、荧光强度高、光稳定性高等利于单分子成像的优势。本综述以MB在活细胞单分子成像中的研究进展为核心内容，介绍了将MB递送进活细胞中的方法与降低MB在活细胞中产生假阳性信号的手段，详细阐述了现阶段通过MB在活细胞中单分子成像RNA以及通过将MB与CRISPR技术结合在活细胞中单分子成像基因位点（即本课题组建立的CRISPR/MB体系1与CRISPR/dual-FRET MB体系2）的研究（图2），最后讨论了MB技术在生物学研究中广泛应用所面临的挑战并给出了可能的解决方案。

图 1. MB工作原理

图2. MB在活细胞单分子成像RNA与基因位点中的应用

目前，在活细胞中单分子成像RNA与基因位点普遍依赖基因改造方法。然而，目标分子的转录、定位以及运动等都可能受到基因改造的影响，因此基于基因改造方法的成像结果可能无法反映目标分子的真实行为。由于基于碱基互补配对原理的MB具备原位、实时、动态成像天然（未经基因改造的）RNA与基因位点的能力，其发展对于解决RNA/DNA相关生物学问题（例如，追踪包括新型冠状病毒RNA在内的病毒RNA/DNA的动态行为、阐明RNA-染色质交互作用在基因转录调控中的重要功能等）具有十分重要的意义。我们期待这篇综述能够使更多生物学领域的研究者认识到MB在活细胞单分子成像上的优势，并以之为工具去攻克生物学研究中的难题。此外，我们也相信对MB研究现状的阐述能够促进生物医学工程、化学以及材料科学等学科的研究者与生物学领域的研究者合作，研制出更灵敏的MB体系甚至新型的荧光探针，为交叉科学的发展作出贡献。

工学院博士研究生毛诗琦（17级）、应亚宸（19级）和吴若楠（20级）是该论文的共同第一作者，通讯作者为工学院陈匡时研究员。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金的支持。

Wu, X., Mao, S., Yang, Y., Rushdi, M.N., Krueger, C.J., and Chen, A.K. (2018). A CRISPR/molecular beacon hybrid system for live-cell genomic imaging. Nucleic Acids Res. 46, e80.
Mao, S., Ying, Y., Wu, X., Krueger, C.J., and Chen, A.K. (2019). CRISPR/dual-FRET molecular beacon for sensitive live-cell imaging of non-repetitive genomic loci. Nucleic Acids Res. 47, e131.