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可在活细胞中选择性识别蛋白质聚集态的非共价仿生荧光探针

细胞在药物、热休克、氧化等外界压力的诱导下,胞内蛋白质内稳态容易被破坏,进而引发蛋白质错误折叠和聚集。致病蛋白质在胞内的这些相变过程会诱发多种人类疾病,如亨廷顿舞蹈症、阿尔兹海默症、渐冻人症等。快速且有效地探测细胞中的蛋白聚集态,对研究蛋白质疾病的发病机理以及此类疾病的早期诊断有重要意义。然而现有商用试剂盒(如PROTEOSTAT染料)无法实现活细胞中聚集态蛋白质的动态原位观测。

图1. (a)AggStain的分子结构;(b)AggStain和DHFR聚集态结合前后的荧光信号变化;(c)AggStain识别不同活细胞中不同压力诱导的蛋白质聚集。


近期,中国科学院大连化学物理研究所刘宇研究员团队与大连医科大学李炜玲教授合作,报道了一类可在活细胞中选择性识别蛋白质聚集态的非共价仿生荧光探针(AggStain,图1a)。该探针基于红色荧光蛋白(RFP)中的发色基团骨架结构,通过对其结构上的修饰和水溶性的优化,提升了其对蛋白质聚集态的荧光信号响应。探针通过非共价键与聚集态蛋白质结合,抑制其分子内扭曲电荷转移(TICT)非辐射跃迁过程,激活其荧光信号。


作者首先以四氢叶酸还原酶(DHFR)和超氧化物歧化酶(SOD1)为模型蛋白,验证了该探针不结合正确折叠态蛋白且荧光信号微弱;在加热诱导蛋白质错误折叠与聚集时,AggStain探针和聚集态蛋白通过非共价键结合并发出红色荧光,实现33倍的荧光发射强度增益(图1b)。作者在多种细胞系的活细胞实验中,展示了AggStain探针可以原位识别由多种细胞压力和致病蛋白质引发的胞内蛋白质组的聚集,同时也验证了该探针可用于观测胞内蛋白质组在不同条件下形成的不同形貌和亚细胞位置(图1c)。更重要的是,通过移除细胞压力复苏细胞,作者利用AggStain探针非共价键结合这个特性,观测到聚集态蛋白质组的消失,论证了该探针可用于研究活细胞内蛋白质聚集的动态过程。最后,作者将所发展的AggStain探针和目前仅有的商用染料PROTEOSTAT®进行了直接的性能对比。


综上所述,新报道的AggStain探针具有对蛋白聚集态选择性好、胞内背景荧光信号低、无须固定细胞和换液等优点,使现有实验操作更加方便快捷,实现了对活细胞中蛋白质聚集态的形成、转变以及清除全过程的动态追踪。该探针可广泛用于高通量筛选药物分子和功能材料对细胞聚集态蛋白质的规约功能。


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Monitoring the Dynamics of Proteome Aggregation in Live Cells Using a Solubilized and Noncovalent Analogue of Fluorescent Protein Chromophores

Wang Wan, Wenhan Jin, Yanan Huang, Qiuxuan Xia, Yulong Bai, Haochen Lyu, Dongning Liu, Xuepeng Dong, Weiling Li*, Yu Liu*

Anal. Chem., 2021, DOI: 10.1021/acs.analchem.0c04309


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