给大家分享一篇发表在JACS上的文章，文章的题目是“Oxidative Damage of Tryptophan Hydroxylase‑2 Mediated by Peroxisomal Superoxide Anion Radical in Brains of Mouse with Depression”，本文的通讯作者是来自山东师范大学化学化工与材料科学学院的Bo Tang教授，Ping Li教授和Xin Wang，他们共同的研究方向主要是分子及纳米荧光探针的合成及其在生物成像中的应用。
抑郁症是严重影响人类健康的一种精神类疾病，其发病机理的假说包括氧化应激，γ-氨基丁酸假说，神经营养因子假说，单胺假说等。其中，大量的研究证明氧化应激过程中过量的活性氧（ROS）与抑郁样行为之间关系密切。过氧化物酶体是生成ROS的重要位点，氧化应激中首先生成超氧阴离子自由基（O2•-），之后触发其他ROS的产生如H2O2。过氧化物酶体中至少存在两种涉及O2•-生成的途径：一种是黄嘌呤氧化酶直接氧化次黄嘌呤在过氧化物酶体基质中生成O2•-，另一种是依赖过氧化物酶体膜中NAD(P)H的小电子传输链，将O2还原为O2•-。过氧化物酶体的酶中约40％是过氧化氢酶（CAT），可以去除细胞内过量的H2O2，在氧化应激中，CAT的活性可能会大大降低。由于O2•-是产生其他ROS的前体，作者认为了解O2•-和CAT活性之间的关系可能会促进抑郁症治疗的发展。除此之外，5-羟色胺（5-HT）是一种存在于大脑皮层和突触中的神经递质，目前临床治疗中使用的很多抗抑郁药都是通过选择性抑制5-羟色胺的再摄取增加其浓度发挥抗抑郁作用。色氨酸羟化酶2（TPH2）是色氨酸合成5-HT的重要催化剂，意味着TPH2的表达直接影响体内5-HT的水平。基于目前研究中ROS与TPH活性的关系，氧化应激过程中ROS对TPH2含量的影响，或许能够解释抑郁症中5-HT功能减退的潜在病因。针对上述问题，作者构建了一种基于咖啡酸的双光子荧光成像探针TCP，用于特异性捕获活细胞和小鼠脑中的过氧化物酶体O2•-。该探针中咖啡酸既是荧光基团，又是O2•-的识别基团， SKL肽作为过氧化物酶体靶向基团。为了避免识别基团和靶向基团之间的干扰，将谷氨酰胺（Q）作为linker引入探针。当存在O2•-时，TCP中咖啡酸残基的邻苯二酚可以被氧化形成吸电子的邻苯二醌。该反应可以改变TCP的电子分布并增加其荧光，从而实现对过氧化物酶体O2•-的可识别成像。此外，为了同步研究H2O2在小鼠脑中的功能，同时使用了可以特异性识别H2O2的BN探针，在800 nm双光子激发下，TCP和BN可以分别识别O2•- 和H2O2发出蓝/绿光，从而研究抑郁表型小鼠大脑中过氧化物酶体O2•-和细胞内H2O2的含量。
作者首先验证了TCP在O2•-激发前后的吸收波长的改变，对O2•-识别的特异性，以及随着O2•-浓度变化，荧光强度的改变，确定了TCP能够特异性响应O2•-并且荧光强度与浓度呈线性关系。之后，在PC12细胞内对荧光成像能力以及过氧化物酶体定位能力进行了验证，TCP能够与过氧化物酶体GFP共定位，从而验证了其对过氧化物酶体O2•-的精确靶向性。接下来，在细胞和抑郁症小鼠模型中研究了过氧化物酶体O2•-对H2O2水平的影响，证明了在抑郁症过程中，过氧化物酶体O2•-可能会提高细胞内的H2O2水平。后续的机制验证该过程是通过抑制CAT活性实现的，而H2O2的含量会进一步影响抑郁症小鼠脑内TPH2的含量。最后，作者通过LC-MS/MS进行了蛋白质组学分析，分别研究了O2•-对CAT的翻译后修饰以及H2O2对TPH2的翻译后修饰，发现两个蛋白的活性位点中，分别有三个和两个组氨酸残基被氧化。
综上，本文开发了一种双光子荧光成像探针TCP，能够实现过氧化物酶体O2•-的原位实时成像检测，并通过LC-MS/MS验证了O2•-会导致CAT失活，从而引起H2O2增加，后者又会降低TPH2含量，使小鼠大脑中的5-HT功能紊乱，最终导致抑郁，该研究为抑郁症药物研究提供了一个关键靶标。
本文作者：Cheny
责任编辑：LYP
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.0c09576
原文引用：DOI: 10.1021/jacs.0c09576
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