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Penn State张鑫团队JACS和Angew:精准调控荧光转子探针实现对蛋白质聚集过程的实时观测

蛋白质变性与聚集被认为会导致多种神经退行性疾病,例如阿尔茨海默症、帕金森综合症、渐冻人症等。蛋白质的错误折叠与聚集是一个多步骤的复杂物理化学变化过程,其中错误折叠蛋白会首先形成可溶性的蛋白聚集,随后进一步发展成为不可溶的蛋白沉淀。不同蛋白质聚集状态的治病机理以及代谢途径不尽相同,而如何区分蛋白聚集的不同状态,一直是领域内的一个技术难题。蛋白质的聚集和沉淀会造成局部微环境的变化,包括空间位阻上升造成的粘度增加。近日,美国宾州州立大学张鑫教授团队在最新发表的J. Am. Chem. Soc.Angew. Chem. Int. Ed.两篇文章中分别展示了通过不同的化学手段调整荧光探针的粘度响应,从而实现在活体细胞内实现对蛋白质各种聚集状态精准识别的研究[1-2]

J. Am. Chem. Soc.文章中,张鑫团队报导了通过在转子荧光分子(Rotor-Based Fluorophores, RBFs)中引入新的电子密度基团来控制荧光分子的激发态转动势垒高度,从而系统性的调节这类荧光分子微环境粘稠度的荧光响应,最终实现在活体细胞内识别和区分多个致病蛋白的可溶性蛋白聚集和不可溶性蛋白聚集。为了实现对荧光分子粘稠度响应的控制,作者首先合成了一系列基于绿色荧光蛋白的荧光基团4-hydroxybenzylidene-imidazolinone(HBI)分子衍生物。HBI分子是由电子给体和电子受体组成的,可是改变电子给体和受体都不能够影响HBI对于粘稠度的响应。作者巧妙的在HBI上引入新的电子密度基团来调整HBI分子的电子特性,从而精确调控HBI分子衍生物的粘度响应。美国华盛顿大学李晓松教授团队通过理论计算发现,电子密度基团通过电子共轭体系改变了HBI衍生物激发态旋转化学键的π电子组分,进而改变了HBI衍生物从激发态到分子内扭转电荷转移态(TICT)的能量势垒。作者发现具有高电子密度的基团可以提高HBI衍生物的激发态转动势垒,得到的化合物在较低的微环境粘稠度下就可以有效激发荧光;而具有低电子密度的基团降低荧光分子的激发态转动势垒,从而需要很高的粘稠度才可以激发荧光。基于以上化学规律,作者合成了18个具有不同粘稠敏感度的分子。由于这些分子被应用于对于蛋白质聚集过程的探测,所以命名为AggFluor。利用两种不同颜色的AggFluor分子,作者实现在活体细胞中首次观测到蛋白质聚集的全部过程的观测,包括蛋白质的变性,可溶蛋白多聚体和不可溶蛋白聚集的产生。作者还研究了几种小分子药物对于不同蛋白质聚集体的作用,发现蛋白酶体的活化剂可以有效消除可溶蛋白多具体,而蛋白酶体和热休克蛋白Hsp70活化剂的联合使用可以有效减少不可溶蛋白聚集的产生,从而为蛋白质聚集疾病的药物治疗提供了有效指导。


此文章近期发表在J. Am. Chem. Soc.,第一作者是宾州州立大学的博士研究生Charles Wolstenholme,通讯作者为张鑫教授、华盛顿大学李晓松教授和大连化学物理研究所刘宇研究员。

Angew. Chem. Int. Ed.的文章中,张鑫团队通过另一种新颖的化学方法控制荧光分子的激发态转动势垒高度,他们创新性地利用了RBF中最容易被忽视的结构——电子给体与受体之间的连接单元。利用这种化学方法,作者系统性的调整了三类RBF分子(Benzothiazolium、DCDHF以及HBI)的激发态转动能垒,从而精确调控这三类分子及其衍生物的粘度响应。文章初始,作者将原有电子给体与受体间的单键替换为含共轭单元的多双键连接单元,得到的衍生物可以在较低的微环境粘稠度下就可以有效激发荧光。通过进一步的分析,作者发现具有单键连接单元的RBF绕σ键转动具有较低的转动势垒,因而需要较高粘稠度才可以激发荧光;而多双键连接单元的RBF转动则需要克服高能垒的顺反异构(E-Z isomerization),因此可以在较低粘稠度下便可激发荧光。基于以上化学规律,作者利用了不同连接单元的RBF首先探测了体外纯化蛋白聚集的不同状态。在针对神经退行性疾病相关蛋白α-synuclein和superoxide dismutase1的聚集过程中,作者发现多双键连接单元的荧光分子相较于单键连接单元可以在低粘稠度可溶性蛋白多聚体时,也就是蛋白聚集的早期阶段便实现有效荧光增益,从而实现神经退行性疾病相关蛋白聚集的早期探测。在进一步的活体细胞荧光共聚焦成像实验中,作者利用了两个具有不同颜色荧光和不同连接单元的RBF在活体细胞中探测并鉴别了亨廷顿舞蹈症的不同蛋白聚集。作者发现低谷氨酰胺拷贝的亨廷顿蛋白PolyQ46会在细胞质中形成较低粘稠度的可溶性蛋白聚集,从而有效地被具有多双键连接单元的红色RBF探测到。而高谷氨酰胺拷贝的亨廷顿蛋白polyQ110则在细胞中形成高粘稠度的不可溶蛋白聚集,从而激活具有单键连接单元的绿色RBF的荧光发射。这篇工作通过改变荧光探针电子给体与受体之间的连接单元,系统性的调整了RBF分子的激发态转动势垒高度和粘稠敏感度,从而探测与鉴别了蛋白聚集过程中的多种状态。


此文章近期发表于Angew. Chem. Int. Ed.。第一作者是宾州州立大学的博士研究生叶松涛(Songtao Ye),通讯作者为张鑫教授。


这两项工作从不同的角度发现了两种新颖化学规律,首次实现对RBF激发态转动势垒的控制,并且将新型的RBF应用在蛋白质聚集过程的活体细胞成像。这些化学规律具有普适性,对于荧光探针的发展,尤其是精准调节分子的环境敏感度具有借鉴意义。由于这些新型的RBF具有可控的激发态转动势垒,因此在探测生命体系和材料科学中的微环境粘稠度中有巨大的应用前景。


1. 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

AggFluor: Fluorogenic Toolbox Enables Direct Visualization of the Multi-Step Protein Aggregation Process in Live Cells

Charles H. Wolstenholme, Hang Hu, Songtao Ye, Brian E. Funk, Divya Jain, Chia-Heng Hsiung, Gang Ning, Yu Liu*, Xiaosong Li*, Xin Zhang*

J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c07245


2. 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

A General Strategy to Control Viscosity Sensitivity of Molecular Rotor‐Based Fluorophores

Songtao Ye, Han Zhang, Jinyu Fei, Charles H. Wolstenholme, Xin Zhang

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202011108


张鑫教授简介


张鑫,美国宾州州立大学Paul Berg Early Career冠名教授,化学系副教授,生物化学与分子生物学系副教授。2001年本科毕业于中国科学技术大学;2004年获大连化物所硕士学位;2010年获加州理工学院博士学位,随后进入美国Scripps研究所做博士后研究;2015年加入宾州州立大学;2020年升为副教授。张鑫课题组致力于生物大分子聚集和相分离的化学生物学研究。他获得的主要奖项包括 CAPA distinguished junior faculty award, NSF CAREER award,NIGMS MIRA,Pew Scholar in the biomedical sciences,Scialog Fellowship,Sloan Research Fellowship,Burroughs Wellcome Fund career award at the scientific interface。


李晓松教授简介


李晓松,美国华盛顿大学化学系Harry and Catherin Jaynne Boand Edowned讲席教授。1999年本科毕业于中国科学技术大学;2003年获Wayne State University博士学位,随后进入耶鲁大学化学系做博士后研究;2005年加入华盛顿大学;2011年升为副教授;2015年升为教授。李晓松课题组发展新一代含时相对论和非相对论电子结构理论,并且应用于能量转化,光催化和超快动力学的激发态结构研究。他获得的主要奖项包括UW Distinguished Teaching Award, Sloan Research Fellowship, NSF CAREER Award,ACS Open-Eye Outstanding Junior Faculty Award。


刘宇研究员简介


刘宇,中国科学院大连化学物理研究所研究员,课题组长,博士生导师。2010年本科毕业于新加坡国立大学;2015年获Scripps Research Institute博士学位,随后进入宾州州立大学化学系做博士后研究;2019年加入大连化学物理研究所。刘宇课题组致力于化学生物学的研究,开发新型荧光探针在重要疾病模型和病人样本中探测蛋白质聚集,并且针对蛋白质聚集造成的心脏和神经系统疾病开发新型药物分子。


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