[Angew] AIE探针检测活细胞中的无定形蛋白聚集
通讯作者：刘宇
通讯单位：中科院大连化物所
蛋白质错误折叠或聚集会导致许多蛋白质构象疾病，包括神经肌肉变性、代谢紊乱、心血管疾病和神经退行性疾病。聚集的蛋白质根据它们的形态和生化特性可分为淀粉样和无定形聚集体。当前的大多数蛋白质聚集传感器都集中在淀粉样蛋白上。与淀粉样蛋白聚集体不同，没有明确结构的无定形蛋白质聚集体在复杂的细胞环境中难以定位和检测。
基于此，中科院大连化物所刘宇教授课题组设计了一系列聚集诱导发射探针（AIEgens）的无定形蛋白质聚集传感器。系统研究了结构-荧光关系来可靠的调节荧光灵敏度、结合亲和力、荧光颜色和细胞性能。相关工作以“Rational Design of Crystallization-Induced-Emission Probes To Detect Amorphous Protein Aggregation in Live Cells”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上。
图1. 聚合诱导发射探针（AIEgens）的设计，用于检测活细胞中的无定形蛋白质聚集：（a）无定形蛋白聚集体比淀粉样蛋白聚集体更难被AIEgens靶向，因为它们没有用于合理设计的明确模板结构；（b）结构调制揭示了控制荧光灵敏度、荧光颜色和细胞性能的结构特征。
在设计上，利用二氰基异佛尔酮（DCI）作为模型AIEgen支架，首先使AIEgens的荧光对模拟无定形聚集蛋白内部的非极性和粘性环境具有敏感性。通过光物理测量、生物物理分析和理论计算，确定了AIEgen获得令人满意的特性的三个关键结构元素：1）上调极性和粘度敏感性的二甲氨基亚苯基部分对于识别无定形聚集体和开启荧光；2）吸电子基团的调节保持选择性检测的同时调整了发射波长；3）平衡探针的亲脂性和溶解性有助于细胞信噪比。
图2. 对氨基亚苯基对于识别蛋白质无定形聚集体至关重要：（a）在60℃时感应热诱导聚集的DHFR蛋白的结构-荧光关系；（b）B7（25 mM）在折叠和聚集的DHFR（50 mM，60℃，5 min）中的荧光光谱；（c）B7在检测DHFR聚集时的检测限和线性范围；（d）所有设计的探针都不能检测α-突触核蛋白的淀粉样聚集体（140mM，1350 rpm，72小时，25℃）；（e）B7通常对无定形蛋白质聚集敏感；（f）DHFR抑制剂甲氧苄啶（TMP，100 mM）稳定mut-DHFR（50 mM），通过B7的荧光定量；（g，h）B7通常对无定形蛋白质聚集比淀粉样蛋白聚集具有选择性；（i，j）B7选择性地分配成不溶性聚集体。
图3. 探针荧光的起源：（a，b）未折叠的DHFR不能打开B7的荧光。将DHFR（50 mM）在60℃加热5分钟诱导不溶性聚集，并通过在48°C用尿素（6 M）处理24小时触发DHFR解折叠；（c）错误折叠的低聚物部分开启了B7的荧光；（d）使用OD330浊度（不溶性）或测试探针的荧光进行的热位移测定在DHFR聚集时提供相似的Tm值；（e，f）分馏实验揭示了不溶性DHFR中保留的荧光。
最后，研究人员利用优化的探针在蛋白质稳态网络调节下系统地对聚合蛋白质组进行成像。总的来说，研究人员提出了一种合理的方法来开发来自AIEgens的具有可控灵敏度、光谱覆盖率和细胞性能的无定形蛋白质聚集传感器。