以H键相互作用、阳离子-π相互作用、静电相互作用和疏水相互作用为代表的非共价相互作用（Noncovalent Interactions）是分子折叠、组装和识别的关键作用力。其中阳离子-π相互作用是发生在阳离子与带有共轭π电子云之间的一种强非共价相互作用，其在生物分子的自组装、分子识别、分子黏连和分子折叠中扮演重要作用，并在受体识别神经递质和组蛋白甲基化解码等重要生物过程中发挥着核心功能。通过巧妙设计阳离子-p相互作用的失活突变，加州理工学院的Dennis Dougherty实验室明确了这一相互作用的化学基础，并发现该相互作用是神经系统识别尼古丁，5-羟色胺，γ-氨基丁酸等活性分子和神经递质的分子基础。然而，如何设计构建增强的阳离子-p相互作用仍然没有相关报道。2022年4月5日，浙江大学生命科学研究院林世贤研究员在Journal of the AmericanChemical Society杂志发表题为“Manipulating cation-πinteractions with genetically encoded tryptophan derivatives”的研究论文，首次提出了提高阳离子-π相互作用的工程改造策略，并构建了一种甲基化修饰的超级读码器（Super-Reader）用于H3K4me3的检测和成像。在生命体中，富含芳香族氨基酸的“芳香笼”结构通过阳离子-π相互作用特异识别底物上的阳离子（如组蛋白上的甲基化修饰）。“芳香笼”通常是由2-5个芳香族氨基酸形成的疏水口袋，这一结构广泛存在于染色质结合蛋白中。在该JACS论文中，作者首先对已知的组蛋白甲基化修饰的读码结构域的“芳香笼”进行了系统地分析，发现80%的“芳香笼”中至少有一个保守的色氨酸。这些色氨酸的吲哚环能够介导富π共轭体系与阳离子的非共价相互作用。已有研究发现吸电子基团取代的色氨酸类似物有效的削弱阳离子-π相互作用，因此作者提出通过位点特异性地引入给电子基团取代的色氨酸类似物以提升“芳香笼”介导的阳离子-π相互作用的策略。
作者进一步通过其实验室前期研发的嵌合体苯丙氨酸翻译系统将一系列带有不同电性的色氨酸类似物位点特异性地引入KDM5A的PHD3结构域的“芳香笼”中，用于替换PHD3结构域的两个关键色氨酸，以探索不同色氨酸类似物取代对PHD3与H3K4me3的阳离子-π相互作用的影响。研究结果表明给电子基团（甲基，氧甲基）取代的色氨酸类似物确实能显著性提高PHD3与H3K4me3的亲和力，尤其是单6-氧甲基-色氨酸（6MeOW）替换的PHD3变体（ePHD）与H3K4me3的亲和力提高了8倍。作者首次证明强给电子的侧链基团取代的色氨酸类似物可以显著提升阳离子-π相互作用，进而调控蛋白-蛋白相互作用的亲和力。
作者通过多价串联读码器的策略以进一步提高阳离子-π相互作用，并实现对组蛋白甲基化修饰的强亲和力检测。他们设计了多价串联的ePHD，结果显示随着串联数量的增加，ePHD与H3K4me3的亲和力随之增加，最终得到3x ePHD与H3K4me3的亲和力达到7 nM，并将该超高亲和力的蛋白称之为H3K4me3的超级读码器（Super-Reader）。紧接着，作者评估了超级读码器体外检测H3K4me3的能力，并发现超级读码器在检测H3K4me3信号方面表现出比特异性的抗体更高的灵敏度和信噪比，具有广泛的应用前景。
总体来说，该工作通过探索遗传密码拓展系统的新应用，提出了通过工程改造“芳香笼”中的关键色氨酸，构建增强阳离子-π相互作用的策略，并首次证明强给电子侧链基团取代的色氨酸能够显著提高阳离子-π相互作用。该工作证明了利用这一策略工程改造的超级读码器在检测和成像H3K4me3信号中的优势，为组蛋白甲基化修饰的富集、检测和成像提供了新的研究思路和化学工具。据悉，博士后赵红霞和博士生刘超是论文的共同第一作者，林世贤研究员是本文的通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划“合成生物学”青年科学家项目，国家重大研究计划“生物大分子动态修饰与化学干预”培育项目等项目的资助。原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c12944
文章引用：DOI：10.1021/jacs.1c12944
目前评论：