Anal. Chem.封面文章:蛋白质邻二巯基位点精准荧光标记新策略

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蛋白质位点选择性修饰的化学工具为天然蛋白质的功能操纵以及荧光标记成像提供了更多可能。这些工具大多以天然存在于蛋白质表面的具有高亲核性的氨基酸残基为靶点进行选择性修饰。但目前已开发的技术仍然存在一些限制,比如干扰物种与化学工具之间的交叉反应所引起的化学和位点选择性缺陷。邻二巯基蛋白(VDPs)是一类含特殊二硫醇的蛋白,其两对硫醇之间的距离足够近,这些邻二硫醇与二硫化物之间发生可逆的氧化还原反应,因此被认为是细胞内重要的氧化还原状态感知位点。VDPs在蛋白质合成和酶功能调节、蛋白质折叠和天然结构稳定以及维持细胞氧化还原稳态和线粒体功能调节方面具有重要的生物学意义。因此开发位点特异性荧光化学标记工具,实现高灵敏度、高选择性和位点精准性的活细胞内VDPs原位标记,将为理解和研究VDPs的生物学功能,了解内源性VDPs在活细胞中的空间分布和动态变化,以及进一步研究氧化还原相关疾病的发生发展和作用靶点提供新的技术手段。

近日,本课题组在茚酮烯光致发光平台基础上,利用茚酮烯共轭受体与邻二硫醇形成荧光环化产物的特性,进一步在基元分子结构骨架中引入胺及其衍生物作为电子给体,并延长共轭体系,得到新型分子探针(如图1)。增强荧光性质的同时增加位点选择性。使IDAs作为一种新的邻二巯基受体,适用于邻二巯基蛋白的位点特异性标记和成像。
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1. 荧光探针(IDA-1, IDA-2)选择性检测邻二硫醇的光致发光反应示意图。
接下来,我们制备了含有邻近半胱氨酸 (Ac-YCGCT)单元的肽段,并利用液相色谱-质谱(LC-MS)跟踪了与IDAs偶联反应后的结合模式(2a)。探针在中性水介质中与肽段Ac-YCGCT混合后得到的了预想的环化产物(2bc)。同时,我们监测了DTT存在下IDA-1-Ac-YCGCT复合物的解耦反应(2d, e)。使用DTT (5 mM)处理后,属于肽-探针偶联物(2d)的峰值几乎消失。在4.52 min时检测到一个新的峰,确认为初始肽段Ac-YCGCT (2e)。探针在生理条件下与邻二硫醇的偶联反应,以及再生未修饰肽的能力,可以避免与蛋白质不可逆抑制相关的某些限制。因此,IDAs可以被认为是一种有效的邻巯基蛋白的化学选择性和位点特异性偶联工具。
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2. 通过模拟肽段验证IDAs与邻巯基位点的结合模式及特异性

接下来,我们选择还原型BSArBSA,含多对邻二巯基位点)作为模型蛋白,探究了IDAsrBSA的荧光响应。如图3a, b所示,当rBSA存在时,非发光探针IDA-1 IDA-2的荧光强度分别增加5673倍(图3a, b)。通过巯基阻断剂N -乙基马来酰亚胺(NEM)预处理阻断rBSA上的游离硫醇后,IDA-1IDA-2的荧光信号均显著减弱(3a, b)。因此,我们推断探针IDAsrBSA偶联,导致荧光增强。同时,IDA-1IDA-2的荧光强度与rBSA浓度在一定范围内呈现良好的线性关系(R2> 0.99, 3c, d)。基于信噪比法(3σ/k),计算出IDA-1IDA-2rBSA的检出限(LOD)分别为19.8 nM2.2 nM (见图3c, d)

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3. IDAs对邻巯基蛋白的荧光响应及活细胞内源性邻巯基蛋白的成像与追踪。

在活细胞中,我们利用还原剂DTT和硫醇氧化剂Diamide处理的HepG2细胞构建不同程度氧化还原状态的细胞模型,无细胞毒性的IDA-2探针在30 min内实现了不同氧化还原状态下活细胞内源性邻巯基蛋白的成像和动态监测(图3e, f)。作为对照组,用极性敏感的不含二甲硫醚乙烯基的IDA-DMA分子孵育细胞后几乎没有观察到荧光(3e, f),这表明二甲硫醚乙烯基活性位点是活细胞产生荧光所必需的。因此,二甲硫醚乙烯基缀合分子IDAs是活细胞中邻巯基蛋白标记的有效探针。此外,IDA-2被成功应用于流式细胞术分析HepG2细胞氧化还原调节时内源性蛋白邻近二硫醇的水平(图3g, h)。此外,通过亚细胞共定位分析进一步确定了内源性VDPs主要分布于线粒体和内质网中,这与之前的报道相一致。这些结果进一步证实了探针可以有效监测不同氧化还原状态的活细胞中邻二巯基蛋白水平。

以上研究论文以“Chemoselective Fluorogenic Bioconjugation of Vicinal Dithiol-Containing Proteins for Live Cellular Imaging via Small Molecular Conjugate Acceptors”为题发表于Analytical Chemistry期刊,并被选为期刊封面。论文第一作者为课题组博士研究生张鹏,感谢华东师范大学钱旭红院士的悉心指导,感谢上海师范大学黄楚森教授和英国巴斯大学Tony D. James教授的交流讨论和宝贵建议。该研究成果得到了国家自然科学基金项目(2227833021907080)、西安交通大学青年拔尖人才(SY6J003)、青年创新团队项目(xtr052022012)的资助。

原文链接:https://pubs.acs.org/10.1021/acs.analchem.3c01518


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