综述：“锁与钥匙”：孔雀石绿与功能核酸的结合行为及其多维应用

本综述系统探讨了孔雀石绿（MG）与功能核酸（FNAs）的相互作用机制及其多维应用前景。文章详细解析了MG与RNA适体（MGA）、DNA适体、G-四链体、双链DNA及T-Hg2+-T错配结构五种典型核酸结构的结合特性，重点阐述了其在生物传感（如MG残留检测、靶标分子识别）、生物成像、合成生物学信号输出、核酸结构监测、生物催化、掩蔽效应及生理调控等八大领域的创新应用，为核酸纳米技术及分子工程设计提供了重要理论框架和技术指引。

　　

引言

小分子染料与核酸的相互作用在分子识别、光学探针开发和生物信号转导领域备受关注。孔雀石绿（MG）作为三苯甲烷类染料，因其独特的光物理特性（特别是构象受限时的荧光激活效应）和毒理学相关性，已成为功能核酸（FNAs）研究中的模型分子。MG与FNAs的结合不仅影响分子功能，更是探测核酸结构和动态的重要工具。

FNA元件与MG的结合机制

RNA适体

1999年发现的38核苷酸MG RNA适体（MGA）开创了荧光RNA适体的先河，可使MG荧光增强2360倍。其结合机制主要依赖静电相互作用和π-π碱基堆积，无需大量氢键参与。MGA的配体结合口袋由U-turn模体和多个非经典碱基相互作用稳定形成，MG结合后其苯环二面角改变，分子刚性增强，荧光量子产率显著提高。后续研究开发了分裂版本MGA、镜像L型MGA（抗核酸酶降解）及高通量筛选的MG-D3适体（荧光增强4000倍）。

DNA适体

2016年筛选出的26核苷酸DNA适体与MG形成1:1复合物，荧光增强8.17倍（K_d=2.43 μM）。分子对接揭示其通过T7氢键、A19疏水/氢键及A20辅因子结合位点稳定MG。Capture-SELEX技术进一步推动了针对MG及其代谢物LMG的DNA适体开发，但DNA适体在荧光增强效率和亲和力上仍逊于RNA版本。

G-四链体

MG可优先结合G-rich序列形成的G-四链体，荧光增强约100倍，伴随吸收/发射光谱红移18 nm。结合模式包括端部堆积和外部结合，其中MG的芳香环与G-四平面π-π堆叠，中央正电荷位于四链体通道内。此特性被广泛应用于生物传感和疾病相关G4成像。

双链DNA

MG通过嵌入作用与ct-DNA结合，荧光增强约100倍，最大发射波长约665 nm。结合后荧光偏振显著增加，表明嵌入为主导机制。尽管信号增益较低，但dsDNA为MG传感提供了均匀且丰富的结合位点。

T-Hg²⁺-T错配结构

Hg²⁺介导的T-Hg-T碱基对形成独特空腔，可容纳MG并使其荧光增强高达1000倍。结合依赖静电力和碱基堆积，结合常数达纳摩尔级。此系统为汞离子检测及环境监测提供了创新策略。

多维应用

MG生物传感

基于MGA的传感器可实现MG和LMG的高灵敏检测（LOD达0.03 nM），其中镜像L-适体策略增强了稳定性。DNA适体传感器通过竞争结合（如SYBR Green I）和比率荧光设计（DART策略）降低成本并提高实用性。G4-MG系统则用于简单荧光检测平台，而VLPs包装RNA适体实现了无需标记的现场快速检测。

靶标生物传感

MG-FNA系统通过构象切换适体感知小分子（如ATP、茶碱）、核酸（miRNA、lncRNA）及蛋白质（酶、细胞因子、抗体）。分裂适体、吻环结构和转录放大（RCT）策略显著提升了检测灵敏度和特异性，例如AFB1的检测限达皮摩尔级。

生物成像

MGA串联重复可放大荧光信号20倍，用于活细胞RNA表达追踪和定位。MG作为水溶性NIR AIEgen，可实现细胞核无洗涤染色。光亲和标记探针MGD2实现了RNA共价标记和动态追踪。但MG的固有光毒性和背景荧光仍是活体应用的挑战。

合成生物学信号输出

MGA作为遗传编码的荧光报告器，用于实时监测转录活性、评估启动子强度及构建RNA开关。与荧光蛋白（如sfGFP）联用可实现转录/翻译多层分析。基于MGA的振荡器、双稳态开关和级联转录模块展示了其在合成电路中的核心作用。

结构监测

MG荧光变化可敏感反映核酸高级结构变化。单分子技术证实仅完整MGA结合位点可稳定锚定MG。pRNA-3WJ模体的整合允许实时监测RNA纳米颗粒的组装和降解，而链置换反应（kleptamers）可实现动态适体调控。

生物催化

MGA展现出核酶样催化活性，可加速MG酯衍生物的水解（速率提高1000倍）。催化机制主要依赖结合口袋内磷酸骨架的静电过渡态稳定，而非共价催化，为RNA作为早期进化催化剂提供了证据。

掩蔽应用

MGA通过空间位阻保护MG免受OH^-氧化，6 μM MGA即可近乎完全抑制MG氧化。分子拥挤和有机溶剂环境可进一步稳定MG荧光复合物，此效应在化学生物学中有潜在应用价值。

生理调控

MGA插入酵母CLB2基因5'-UTR可配体依赖性地抑制翻译起始（不影响mRNA水平），导致细胞周期阻滞。MG与端粒G4的结合（ΔT_m=6°C）和荧光激活也为抗癌策略提供了分子基础，但细胞毒性问题仍需解决。

结论与展望

MG-FNA系统通过精巧的“锁-钥”识别模式，实现了从分子探测到生理调控的多元功能跨越。未来研究需聚焦于降低MG细胞毒性、拓展核酸结构兼容性（如核糖开关、DNA纳米笼）、开发MG类似物多色平台，以及通过单分子技术和原位解析深化机制认知。这些努力将推动MG-FNA系统在智能核酸材料、合成生物学及精准医学领域的更广泛应用。