Nature子刊：武大刘郑团队提出基于DNA探针的新型细胞力学可视化技术( 二 )

为了合成出该探针，作者设计了一套该DNA探针的化学修饰、合成以及纯化策略。当DNA发夹处于折叠状态时，其探针的荧光团被淬灭剂（BHQ）和Au NP通过荧光共振能量转移（FRET）和纳米表面能量转移（NSET）两种途径高度淬灭，从而提高了张力探针的力学敏感性。一旦细胞通过探针上的配体对ECM施加机械力，并达到该探针的展开阙值力， DNA探针结构展开分离荧光分子和淬灭剂，随即点亮该探针。通过该过程，可将单个蛋白质上传递的微观机械力信号转化成荧光信号进行观测。由于发卡机构中loop结构的存在，当牵引力减小到一定程度时， DNA发卡结构会自然关闭，进而可以对细胞的机械力进行实时成像。

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【Nature子刊：武大刘郑团队提出基于DNA探针的新型细胞力学可视化技术】

可逆的剪切模式DNA发卡结构的力学探针原理及用于细胞力学可视化研究

基于该力学探针对胚胎成纤维细胞在铺展和迁移过程中整合素（Integrin）介导的不同大小的机械力进行长时间成像，研究人员发现细胞的黏着斑结构中， integrin力的分布明显是不均匀的，黏着斑中间的少量的integrin组成的团簇承受了一个巨大强度的机械力（>60 pN, 该integrin团簇称为“力学热点”）, 并发现这些“力学热点”类似于高楼大厦的承重墙，对促进黏着斑的成熟以及维持整个结构的稳定具有很重要的作用。

多通道的胚胎成纤维细胞力学成像
研究结果表明，对于新生的黏着斑， integrin分子所承受力的大小直接影响这些新生黏着斑能否成长为更成熟、更稳定的结构。如果没有承受较大力的整合素（称为 “strong” integrin）存在，黏着斑的寿命明显偏低。为了深入探索这些“strong” integrin功能，作者进一步设计了一种可以光控切割的DNA力学探针，并在成熟的黏着斑结构中，用光选择性地瞬间切断黏着斑中极其稀少的“strong” integrin与ECM的衔接，发现黏着斑结构会迅速解聚，单分子力学成像实验进一步证实这些“strong” integrin可以在单分子水平上调控FA结构的组装和寿命，进而影响着细胞迁移。
此外，研究团队利用该探针具有极高灵敏度优势，研究了胞内actin自组装聚合时所产生的微弱力学信号特征，并利用单分子成像和荧光漂白计数等方法对单个integrin团簇中受力蛋白进行了量化和功能研究。

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光控分子力学探针原理以及应用于特定力学受体功能的研究

综上所述，该工作设计出一种新型DNA结构的荧光张力探针并应用于活细胞机械力可视化研究，具有力学量程宽、可逆、单分子灵敏度等优势，并可以用光来控制该探针的机械结构进而达到控制细胞力的功能。通过对细胞迁移过程中integrin介导的机械力进行研究，发现了一类少量、但传递更强机械力的integrin在细胞运动过程扮演着重要角色。该技术有望成为研究肿瘤细胞迁移、免疫细胞的识别和激活等机械力深度参与的生命过程的重要工具。