溶致变色的荧光探针分子揭示细胞中蛋白质聚集的异质性

蛋白质在人体内的错误折叠与聚集会导致多种难以治愈的退行性疾病，如阿尔兹海默症、帕金森症、渐冻人症和心肌淀粉样变等。发展新的化学方法和工具用于研究疾病的发病机理、早期诊断以及药物发展十分重要。之前对于蛋白质聚集态的研究通常聚焦于其聚集过程的构型变化、动力学以及聚集态的降解等生化机理。然而对于聚集态蛋白质内部理化性质（如极性、粘度、酸碱性、氧化还原电势、化学反应性等）的定量研究则相对匮乏。

近日，中国科学院大连化学物理研究所的刘宇研究员与山东大学刘晓静教授、中科院生物物理所王磊研究员以及大连医科大学第二附属医院高振明教授合作，设计并合成一类对聚集态蛋白质内部极性环境敏感的溶致变色荧光探针。作者利用该探针与聚集态蛋白质结合后发射波长的变化，定量测定了不同致病蛋白内部的极性，并揭示了聚集态蛋白质内部的极性异质性（图1）。

图1. 利用荧光探针与聚集态蛋白结合之后发射波长的变化测量其内部环境的极性异质性。

团队基于前期所报道的无定形聚集态蛋白探针设计理念（Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 16067–16076），首先设计并合成了具有D-π-A结构的荧光探针分子（AggRetina），并在溶剂体系下，研究该探针分子对极性与粘稠度变化的敏感度。文中通过测定探针分子在不同极性溶剂中的荧光发射光谱，构建出最大发射波长和溶剂介电常数之间的定量关系（图2）。

图2. 探针分子的最大荧光发射波长与溶剂介电常数的定量关系。

不同于其他溶质变色荧光分子，该探针具有与聚集态蛋白质的天然结合力。利用该特性，团队在纯化蛋白体系中，定量研究了不同种类蛋白质聚集态内部极性微环境的差异性。重要的是，这种极性差异性与其蛋白酶解速率密切相关，从分析化学的角度侧面阐释了其致病性（图3）。

图3. 聚集态蛋白质的极性异质性。（a）通过发射波长的变化，定量测量聚集态蛋白质内部微环境的介电常数；（b）聚集态非致病sortase蛋白和致病TTR（L55P）蛋白的透射电镜图对比；（c）聚集态非致病sortase蛋白和致病TTR（L55P）蛋白的酶解过程。

最后，论文进一步在活细胞体系中测量了目标致病蛋白质聚集态的极性微环境。作者通过HaloTag标签蛋白技术将荧光探针分子选择性地标记到目标蛋白上。在目标蛋白聚集过程，通过荧光成像测量了在聚集态蛋白质中探针分子的最大发射波长。论文展示了同种蛋白质在聚集前后的极性变化、不同蛋白质聚集之后极性的差异性、以及聚集态蛋白质内部极性在结构上的差异性分布（图4）。

图4. 聚集态蛋白质的胞内极性异质性。（a）通过标签蛋白技术可将荧光分子选择性地标记到目标蛋白上；（b）通过探针分子发射波长的变化，定量测量蛋白质聚集前后的内部极性变化；（c）聚集态蛋白内部极性的结构异质性。

综上所述，该论文报道了一种可通过发射波长定量研究聚集态蛋白内部极性的探针，并通过活细胞荧光成像的方法，观察到了细胞内致病蛋白聚集态结构上的异质性。该工作为研究蛋白质疾病发病机理，发展新的治疗手段提供了新思路，也为后期进一步通过蛋白质组学分析聚集态蛋白质组提供了新的研究方向。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的通讯作者是中国科学院大连化学物理研究所刘宇研究员。

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 Solvatochromic Fluorescent Probe Reveals Polarity Heterogeneity upon Protein Aggregation in Cells

Wang Wan‡, Lianggang Zeng‡, Wenhan Jin, Xinxin Chen, Di Shen, Yanan Huang, Mengdie Wang, Yulong Bai, Haochen Lyu, Xuepeng Dong, Zhenming Gao, Lei Wang, Xiaojing Liu, Yu Liu* 

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202107943