可编程的基因工具：打造无创生物检测器

基因编码传感器通过将分子事件与可测量信号（如荧光）相连，极大改变了活细胞内生物现象的可视化能力。然而，荧光指示剂受生物组织光散射和吸收限制，难以用于 whole-organism 成像。磁共振成像（MRI）能生成高分辨率断层图像，且无电离辐射，是深层组织成像的理想选择，但缺乏广泛适用的传感器工程策略，导致MRI基因指示剂种类极少（仅4-5种分析物）。

水通道蛋白（AQP）可通过调控细胞内外水分子快速交换来编码MRI对比信号，其基因 footprint小（单基因<1kb）、灵敏度高且对比机制自主，是扩展MRI兼容基因传感器的理想支架。本研究开发了基于水通道蛋白的模块化蛋白酶激活增强报告探针（MAPPER），通过两种机制实现蛋白酶对水通道蛋白依赖的MRI信号调控：蛋白质稳定化（DD-MAPPER）和亚细胞运输（ER-MAPPER）。

DD-MAPPER将人水通道蛋白1（hAqp1）与不稳定结构域（DD）融合，中间插入蛋白酶切割位点。无蛋白酶时，hAqp1-DD融合蛋白迅速降解（MRI关闭状态）；蛋白酶切割DD后，hAqp1稳定性恢复，产生MRI信号（开启状态）。通过优化DD类型（如FKBP12-DD）、切割位点数量（3个位点效果最佳）等，DD-MAPPER在多种细胞（如CHO、PC12、MDA-MB-231）中实现显著的MRI信号变化（67%-147%）。

ER-MAPPER则在hAqp1 C端融合内质网（ER）滞留标签（如KKYL），中间插入蛋白酶切割位点。无蛋白酶时，hAqp1滞留于ER（无MRI信号）；蛋白酶切割滞留标签后，hAqp1转运至细胞膜，产生MRI信号。该机制遗传 footprint更小（12 bp），且不受细胞降解途径影响，在多种细胞中也实现了98%-195%的MRI信号增幅。

MAPPER展现出强大的可编程性和多功能性：可检测小分子药物（如甲氧苄啶）、蛋白酶抑制剂（如波普瑞韦）；构建生物逻辑门（如AND门，需两种蛋白酶同时激活）；通过分裂蛋白酶技术检测蛋白质相互作用（如卷曲螺旋异二聚、雷帕霉素诱导的FKBP-Frb结合）和细胞内钙水平。

MAPPER作为全基因系统，有望用于临床转化，如整合到基因和细胞疗法中监测治疗效果，支持DNA或mRNA递送。尽管存在响应幅度差异、扩散机制限制、需进一步体内验证等挑战，MAPPER仍为生物医学成像提供了变革性平台，有望像荧光传感器那样拓展MRI成像的应用范围。