JACS：主客体识别联合机器学习识别多肽磷酸化位点和状态

蛋白质磷酸化是细胞对各种生理刺激发生动态响应的重要调节机制，其水平由激酶和磷酸酶严格调控。这些酶的催化活性会受氨基酸的种类和局部序列的影响，其活性失衡与多种疾病的发生紧密相关。目前检测肽链磷酸化的方法主要基于质谱的蛋白质组学和纳米孔技术，依赖于精密且昂贵的仪器、复杂的生物合成以及样品制备过程。传统方法中，激酶活性的高通量筛选往往通过检测放射性标记的ATP浓度的变化来实现，无法选择性识别检测肽链磷酸化的位点。大多数基于荧光的磷酸化水平和酶活性传感器需要使用荧光团标记的多肽，在未修饰肽链上的应用十分有限，且难以实现位点选择性识别。因此，发展一种简单高效的多功能光学检测系统用于选择性区分磷酸化肽位点和状态并监测激酶活性，将具有重要的应用价值。

在本文中，作者创建了一种基于阳离子染料和水溶性超分子深空腔体的主客体阵列，用于多肽磷酸化位点和状态的选择性识别，并同时监测激酶活性。这种位点选择性是通过多种超分子相互作用实现的（图1a）：染料可以与肽链中的色氨酸残基相互作用，而空腔体:染料复合物可以与多肽形成三元复合物。分子建模结果表明，多肽围绕染料分子折叠，它们之间的相互作用受磷酸化状态和位点影响，而空腔体既可能与染料的竞争性结合，也与染料及多肽形成三元复合物。因此，多种空腔体与染料组成的差异化传感阵列可实现对多肽上磷酸化的状态和位点有选择性的响应。结合机器学习及非线性降维技术，得到了一个仅需三个空腔体：染料传感元素的最小化阵列，即可完全区分多肽上不同位点和状态的磷酸化。

图1. 主客体阵列识别联合机器学习实现多肽磷酸化水平的识别和激酶活性监测。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

该阵列在蛋白激酶A及镁离子、cAMP、ATP等辅助因子的存在下依然有效，能够监测由蛋白激酶A催化产生的，在多肽底物上特定位点的丝氨酸磷酸化水平的变化（图1b）。尤其值得强调的是，这种间接的识别模式使得主客体传感器在其他磷酸化物种（如ATP和cAMP）高浓度存在的情况下仍具有高选择性和灵敏度。这个工作证明了基于主客体相互作用的差别传感系统可用于激酶功能检测。由于激酶失调与疾病的发生发展有着密切的关系，此类传感系统在疾病防控和药物筛选中应拥有广泛的应用前景。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者为加州大学河滨分校 (University of California, Riverside) 的陈筠怡博士。中国科学技术大学精准智能化学重点实验室（中科院）及化学与材料科学学院的钟文婉教授，与加州大学河滨分校的Richard Hooley教授为共同通讯作者。

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）：

Supramolecular Host:Guest Arrays Site-Selectively Recognize Peptide Phosphorylation and Kinase Activity

Junyi Chen, Parisa Fasihianifard, Ria Lian, Lucas J. Gibson-Elias, Jose L. Moreno Jr., Chia-En A. Chang, Wenwan Zhong*, Richard J. Hooley*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c13757

钟文婉教授简介

钟文婉教授，博士生导师。国家创新人才计划长期项目入选者，中国科学院精准智能化学重点实验室副主任，中国科学技术大学化学与材料科学学院教授与精准智能化学重点实验室双聘教授。中国科学技术大学本科毕业，美国爱荷华州立大学（Iowa State University）分析化学博士，洛斯阿拉莫斯国家实验室博士后研究员。2006年加入美国加州大学河滨分校（University of California, Riverside）化学系担任助理教授；2016年晋升为正教授（2016-2023年）；并于2018-2023年担任环境毒理研究生项目主任。2024年1月起回到中国科学技术大学化学系任教。

钟文婉教授在美国时的研究工作持续得到美国国家卫生研究院和美国国家自然科学基金的支持，曾获美国国家自然科学基金的Career Award，及加州大学的Chancellor's Award for Excellence in Undergraduate Research，并在Nature Chemistry, Journal of American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Nucleic Acids Research, Chemical Sciences, Environmental Science & Technology, Analytical Chemistry等国际著名期刊上发表SCI论文100多篇。目前钟教授是ACS期刊Precision Chemistry 的专题主编(Topical Editor), Analytical and Bioanalytical Chemistry 和 Chemical Communications 两个期刊的Advisory Board 成员; Chemical Research in Chinese Universities（高等学校化学学报）的编委会成员；以及the Steering Board for International Symposia on Field and Flow-based Separations的成员。参与组织并主持了二十多个国际会议的生化分析分会。

实验室主页：

https://institution.ustc.edu.cn/zhonglab/zh_CN/tdld/768865/list/index.htm