陈以昀课题组发展活细胞内的可见光催化反应实现线粒体蛋白的选择性标记

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生物相容性化学反应可以在原生的生物环境进行，是研究蛋白质功能的有力工具。由于穿透细胞膜的困难性以及活细胞内复杂的生物环境，在活细胞内进行生物相容性化学反应尤为困难。分析病理过程及外部刺激下蛋白相互作用网络的变化对于疾病研究与药物研发具有重要价值，但现有的生物相容性反应无法实现亚细胞特异性的蛋白动态变化监测及标记。近日，中国科学院上海有机化学研究所陈以昀课题组与张耀阳课题组（交叉中心）合作，利用光具有高时空分辨率的特性，首次使用有机小分子染料作为亚细胞定位的生物相容性光催化剂，通过活细胞内的可见光催化叠氮标记反应实现了线粒体蛋白的特异性标记（图1a）。

图1 活细胞内通过生物相容性的可见光催化反应实现线粒体蛋白的选择性标记

　　陈以昀课题组前期研究发现有机小分子染料具有良好的可见光催化生物相容性并可以在活细胞内实现小分子药物的光释放（Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 58, 561-565），进而筛选生物相容性的有机小分子染料来避免过渡金属光催化剂存在的生物膜通透性差与潜在细胞毒性的问题。他们设计合成了不同的光标记探针，并发现荧光素、罗丹明 123与吖啶橙在低能量蓝色或绿色LED光源照射下能够有效引发芳基叠氮探针进行水相的蛋白质标记反应。可见光催化叠氮标记反应具有良好的反应效率，与传统紫外光引发叠氮蛋白标记的反应速率类似并具有更好的生物相容性，在高能量可见光照射下该标记反应可缩短至1分钟甚至秒级。反应机理研究证实光催化三线态能量转移引发芳基叠氮产生活性中间体，进而被蛋白质亲核残基捕获生成标记产物（图1b）。通过免疫荧光显微成像与蛋白质谱分析，线粒体定位染料罗丹明 123可以实现活细胞内线粒体选择性的蛋白标记。该线粒体蛋白标记方法还具有亚线粒体选择性，与罗丹明 123在线粒体内的定位区域符合，主要位于线粒体基质与线粒体内膜区域。作者通过该标记方法对鱼藤酮毒素引发的线粒体功能失调过程进行了蛋白质组学研究，基于光的高时空分辨率首次发现了若干动态变化的线粒体压力响应蛋白，对相关疾病研究与药物研发具有重要价值。该线粒体蛋白选择性标记新方法可以在原生的生物环境进行并且具有高时空分辨率，操作简便并且无需复杂遗传操作，具有良好的生物应用前景。
　　相关研究成果近期发表在JACS Au上［JACS Au 2021, 1(7), 1066-1075.］，研究概念图被选为JACS Au期刊内封面展示（图1c）。上海有机所王浩岩、张祎昕、曾凯星、强佳丽（交叉中心）为共同第一作者，张耀阳（交叉中心）与陈以昀为共同通讯作者。上述研究工作得到国家自然科学基金、中国科学院创新交叉团队项目、中国科学院战略性先导科技专项（B类）、生命有机化学国家重点实验室的大力资助。


       文章来源：上海有机所
       陈以昀，男，中国科学院上海有机化学研究所研究员。2002年获得化学学士学位，师从北京大学杨震教授，从事全合成研究。2007年获得有机化学博士学位，师从普林斯顿大学Chulbom Lee教授，发展了过渡金属催化下的炔烃1，1位修饰方法学。博士后期间，在哈佛大学和霍华德休斯医学研究所David R. Liu教授实验室从事化学生物学领域的研究，利用DNA编码的新化学反应探索系统，发现了可在生命体系中进行的可见光引发的叠氮化合物还原反应。2011年11月至今，任中国科学院上海有机化学研究所研究员、课题组长。