介绍的是最近在ACS Central Science上报道的一篇标题为 “Inclusive Pattern Generation Protocols to Decode Thiol-Mediated Uptake” 的文章。该文的通讯作者是日内瓦大学化学系的Stefan Matile教授，Matile教授课题组此前重点研究过聚二硫化物以及聚二硫化物介导的细胞内货物递送。本文主要研究了细胞表面的硫醇是如何影响细胞摄取机制，用通用的方式对硫醇介导的细胞摄取进行了动态的解码，为理解和应用该途径提供了坚实的基础。
硫醇介导的摄取(Thiol-mediated uptake, TMU)是一种细胞摄取机制，是指通过将硫醇反应基序附着在感兴趣的底物(SOI)上而使底物获得的细胞穿透活性，该方法可以用于包括荧光探针、小分子药物、蛋白质、寡核苷酸、脂质体的细胞内递送。这一过程涉及到与细胞表面或细胞表面受体上的硫醇和二硫化物，如半胱氨酸和胱氨酸残基进行动态共价交换反应，因此可以被其他具有硫醇反应活性的化合物抑制，这也是TMU的标志。迄今为止，细胞摄取表现最好的是级联交换剂(Cascade exchangers, CAXs)，如环状二硫化物，可以通过多次可逆交换来提升摄取效率。此外，用TMU抑制剂能够显著抑制病原体进入细胞，证明了TMU系统除了对药物递送有所帮助，还可能对药物发现有指导价值。尽管这一细胞摄取途径已经在应用中受到了广泛关注，但TMU的分子机制基本上是未知的。 人们此前认为TMU可以与一些传统的细胞摄取途径如膜融合和细胞内吞相关，甚至可能与一些CPP依赖的正-负电荷反离子胶束有着相似的作用机理。但TMU已经被报道可以与细胞表面的蛋白质受体的硫醇发生共价交换，这种从与膜的非共价相互作用到与蛋白质的动态共价反应的认知转变是非常有吸引力的。目前，已经有一些具有高递送活性的CAXs被开发，本文致力于对它们在细胞表面的相互作用伙伴进行更深入的研究，以揭示它们在TMU过程中的重要性(图1)。图1. 本文中研究的7种CAX和它们可能在硫醇介导的摄取中存在的交换伙伴(P)产生的正交TMU网络分配。 首先，作者以荧光素FI作为报告荧光分子，将其连接在一系列CAXs分子上，通过自动化高含量高通量(AHCHT)显微镜研究了这些CAXs分子在不同细胞系上的摄取活性。以芦笋酸(AspA)分子的细胞内荧光强度做归一化后，每种CAXs分子的相对TMU活性以IrC表示。最终获得了不同CAXs的活性图谱以及细胞偏好性。除此之外，作者提出一个设想，能否使用CAXs作为TMU过程的抑制剂，通过CAXs之间的竞争来抑制底物转运。他们评价了多种CAXs和现存的一些TMU抑制剂对于不同种细胞的荧光素底物转运抑制效率，发现CAX3也即BPS相比于各类TMU抑制剂有更好的效果。 (图2)图2. 研究CAXs作为转运体和抑制剂的摄取活性。 接下来，作者团队对TMU过程中可能存在的CAXs伴侣蛋白进行了详细研究，用基因敲除或受体抑制的方法验证伴侣蛋白和CAXs之间的对应关系。根据此前对于TMU过程的报道，他们选择了几种伴侣蛋白作为主要研究对象，包括转铁蛋白受体、整合素和各类蛋白二硫键异构酶PDIs。通过荧光显微镜观察了在不同的条件下，各种CAXs转运货物进入细胞的能力。从图中可以观察到，整合素的敲除严重影响了ETP的TMU水平，而抑制PDIA3(AI2)则严重影响了BPS的TMU水平，抑制其他PDI家族的受体(AI1)也同样抑制ETP的TMU水平。除此之外，他们还观察到，抑制某些PDI家族受体可能会提升某些CAXs的TMU活性，如使用AI1处理细胞，则BPS的TMU水平显著增加，这说明在细胞天然通路中，它们的作用途径可能相互竞争抑制。(图3)图3. 荧光成像实验用于验证各种伴侣蛋白的失活对CAXs作为转运体的TMU活性影响。 整合上述实验结果，作者团队绘制了一张CAXs作为转运剂和抑制剂，与不同伴侣蛋白相互作用之间的关系图。从图中可以获得一些直观信息，如(1)BPS和ETP可以作为CAXs抑制剂而抑制多种CAXs的转运作用；(2)ETP作为CAXs时其伴侣蛋白主要为整合素和广泛的PDI家族受体；(3)AspA作为CAXs时主要与转铁蛋白受体相互作用；(4)BPS主要与PDIA3发生相互作用，且会被其他PDI家族受体拮抗。这些不同的CAXs通过结合不同的伴侣蛋白而发生TMU，且这些途径几乎是正交的。(图4) 综上所述，本文作者以一种通用的方式对TMU网络进行了解码，阐述了CAXs抑制剂、CAXs转运体、伴侣蛋白敲除以及一些PDI家族蛋白抑制剂之间的相互关系，为理解和使用TMU途径提供了坚实的基础。DOI: 10.1021/acscentsci.3c01601Link: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acscentsci.3c01601
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