化学调控荧光蛋白的荧光基团用于探测细胞内蛋白质的聚集

蛋白质的错误折叠和聚集会导致多种人类神经退行性疾病，如阿尔兹海默症、帕金森综合征、渐冻人症等。在活体细胞内有效地识别蛋白质的聚集过程，对研究疾病的发病机理和筛选药物分子都有着积极的意义。然而蛋白质的错误折叠与聚集是一个复杂的物理化学变化过程。其中包含了由不同种蛋白质构成的多种折叠状态。因此，如何实现在细胞内观测蛋白质的聚集过程，一直是领域内的一个技术难题。

荧光蛋白一直以来被广泛地用于生命科学领域。其中一项重要的应用是在活体细胞内针对目标蛋白质的成像与示踪。其中绿色荧光蛋白是通过其荧光基团4-hydroxybenzylidene-imidazolinone（HBI）发出荧光。然而这类荧光分子只有锁在荧光蛋白的内部才会发出荧光。主要原因是当这类分子在激发态自由旋转时，其非辐射衰变通道占据主导，因此人工合成的类似物通常荧光效率很低。然而通过空间位阻效应抑制其自由旋转，可以有效的增强荧光量子效率。基于上述特性，此类分子被广泛的用于细胞内RNA和DNA的探测与识别。

美国宾州州立大学张鑫教授（点击查看介绍）团队首次展示荧光蛋白内的荧光基团可用于识别蛋白质的聚集态。通过化学调控荧光蛋白的荧光基团（HBI），在活体细胞内成功探测多种目标蛋白质聚集态的探测。蛋白质的错误折叠和聚集会造成蛋白局部微环境的变化，包括流动性下降、空间位阻的增大和刚性的增强。文章首先合成多种HBI分子的衍生物，总结了化学上如何调控分子荧光性质的化学规律，实现对上述物理环境变化更加敏感的探测。美国华盛顿大学李晓松教授团队针对此类分子的理论计算工作更好的阐释了分子发光机理。当蛋白质发生错误折叠并聚集时，荧光分子与聚集态的蛋白质之间发生相互作用，抑制了非辐射衰变通道，使其荧光量子效率大幅提升（0.026到0.22）。文章进一步在多个致病蛋白体系中，如α-synuclein（帕金森症）、超氧化物歧化酶（渐冻人症）和polyQ（亨廷顿舞蹈症），分布展示了此类分子对蛋白质聚集状态荧光激活类型的识别。

神经退行性疾病领域最新的假说认为蛋白质可溶聚集态的细胞毒性最强。不同于传统方法，这项工作所发展的新型荧光探针可以有效的识别早期可溶聚集态的蛋白质。同时，通过与商业化的HaloTag体系联用，可以将所发展的新型荧光分子用于任意目标蛋白质聚集态的探测。文末，作者提到未来的工作可以进一步拓展化学空间，优化环境敏感类别的荧光分子实现对蛋白质各种折叠状态的精准识别。这一研究成果近期发表在J. Am. Chem. Soc. 上，文章的第一作者是美国宾州州立大学刘宇博士，通讯作者是张鑫教授。

该论文作者为：Yu Liu, Charles H. Wolstenholme, Gregory C. Carter, Hongbin Liu, Hang Hu, Leeann S. Grainger, Kun Miao, Matthew Fares, Conner A. Hoelzel, Hemant P. Yennawar, Gang Ning, Manyu Du, Lu Bai, Xiaosong Li, Xin Zhang

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）：

Modulation of Fluorescent Protein Chromophores To Detect Protein Aggregation with Turn-On Fluorescence

J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 7381–7384, DOI: 10.1021/jacs.8b02176

张鑫教授简介

张鑫，美国宾州州立大学化学系和生物化学与分子生物学系助理教授。2001年本科毕业于中国科学技术大学； 2004年硕士毕业于中科院大连化物所；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。

研究领域是蛋白质折叠的化学生物学研究。他的多项研究成果发表在Science、PNAS、JACS 和Angewandte Chemie 等期刊上。张鑫获得的主要奖项包括2011获Helen Hay Whitney Fellowship Award；2012年获“美国化学会诺贝尔签名奖”（The American Chemical Society Nobel Laureate Signature Award）；2014获“Burroughs-Wellcome基金会交叉科学职业奖”（The Burroughs-Wellcome Fund Career Award at the Scientific Interface）；2015获“Lloyd and Dottie Huck早期职业奖”（The Lloyd and Dottie Huck Early Career Award）；2018年获美国斯隆研究奖（The Sloan Research Fellowship）。

http://www.x-mol.com/university/faculty/49777