生物相容性化學(xué)反應(yīng)可以在原生的生物環(huán)境進(jìn)行，是研究蛋白質(zhì)功能的有力工具。由于穿透細(xì)胞膜的困難性以及活細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜的生物環(huán)境，在活細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行生物相容性化學(xué)反應(yīng)尤為困難。分析病理過程及外部刺激下蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)的變化對于疾病研究與藥物研發(fā)具有重要價(jià)值，但現(xiàn)有的生物相容性反應(yīng)無法實(shí)現(xiàn)亞細(xì)胞特異性的蛋白動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測及標(biāo)記。近日，中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所陳以昀課題組與張耀陽課題組（交叉中心）合作，利用光具有高時(shí)空分辨率的特性，首次使用有機(jī)小分子染料作為亞細(xì)胞定位的生物相容性光催化劑，通過活細(xì)胞內(nèi)的可見光催化疊氮標(biāo)記反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了線粒體蛋白的特異性標(biāo)記（圖1a）。
圖1 活細(xì)胞內(nèi)通過生物相容性的可見光催化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)線粒體蛋白的選擇性標(biāo)記
陳以昀課題組前期研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)小分子染料具有良好的可見光催化生物相容性并可以在活細(xì)胞內(nèi)實(shí)現(xiàn)小分子藥物的光釋放（Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 58, 561-565），進(jìn)而篩選生物相容性的有機(jī)小分子染料來避免過渡金屬光催化劑存在的生物膜通透性差與潛在細(xì)胞毒性的問題。他們設(shè)計(jì)合成了不同的光標(biāo)記探針，并發(fā)現(xiàn)熒光素、羅丹明 123與吖啶橙在低能量藍(lán)色或綠色LED光源照射下能夠有效引發(fā)芳基疊氮探針進(jìn)行水相的蛋白質(zhì)標(biāo)記反應(yīng)?？梢姽獯呋B氮標(biāo)記反應(yīng)具有良好的反應(yīng)效率，與傳統(tǒng)紫外光引發(fā)疊氮蛋白標(biāo)記的反應(yīng)速率類似并具有更好的生物相容性，在高能量可見光照射下該標(biāo)記反應(yīng)可縮短至1分鐘甚至秒級。反應(yīng)機(jī)理研究證實(shí)光催化三線態(tài)能量轉(zhuǎn)移引發(fā)芳基疊氮產(chǎn)生活性中間體，進(jìn)而被蛋白質(zhì)親核殘基捕獲生成標(biāo)記產(chǎn)物（圖1b）。通過免疫熒光顯微成像與蛋白質(zhì)譜分析，線粒體定位染料羅丹明 123可以實(shí)現(xiàn)活細(xì)胞內(nèi)線粒體選擇性的蛋白標(biāo)記。該線粒體蛋白標(biāo)記方法還具有亞線粒體選擇性，與羅丹明 123在線粒體內(nèi)的定位區(qū)域符合，主要位于線粒體基質(zhì)與線粒體內(nèi)膜區(qū)域。作者通過該標(biāo)記方法對魚藤酮毒素引發(fā)的線粒體功能失調(diào)過程進(jìn)行了蛋白質(zhì)組學(xué)研究，基于光的高時(shí)空分辨率首次發(fā)現(xiàn)了若干動(dòng)態(tài)變化的線粒體壓力響應(yīng)蛋白，對相關(guān)疾病研究與藥物研發(fā)具有重要價(jià)值。該線粒體蛋白選擇性標(biāo)記新方法可以在原生的生物環(huán)境進(jìn)行并且具有高時(shí)空分辨率，操作簡便并且無需復(fù)雜遺傳操作，具有良好的生物應(yīng)用前景。
相關(guān)研究成果近期發(fā)表在JACS Au上［JACS Au 2021, 1(7), 1066-1075.］，研究概念圖被選為JACS Au期刊內(nèi)封面展示（圖1c）。上海有機(jī)所王浩巖、張祎昕、曾凱星、強(qiáng)佳麗（交叉中心）為共同第一作者，張耀陽（交叉中心）與陳以昀為共同通訊作者。上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）、生命有機(jī)化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力資助。
