蛋白质分子的错误折叠所引发的相变过程会诱发多种退行性疾病，例如阿尔兹海默症、肌萎缩侧索硬化（渐冻人症）、帕金森症、心肌淀粉样变和亨廷顿舞蹈症等。这些疾病通常难以早期发现且缺乏有效的治疗手段。因此，发展新的化学方法选择性的靶向相变蛋白质对疾病的早期诊断、药物设计和病理分析具有重要意义。
蛋白质大分子在错误折叠的过程中由于失去特定的三维空间构型，其特异性识别和靶向非常困难。目前广泛报道的识别相变蛋白的探针通常通过分子间的非共价键相互作用实现选择性结合，而共价键探针鲜为报道。
近日，中国科学院大连化学物理研究所刘宇研究员和张丽华研究员团队合作，报道了一类可以选择性识别相变蛋白质的新型仿生共价键荧光探针，并通过质谱表征发现蛋白质相变界面具有化学反应活性，可用于探针的共价键标记与成像。团队基于前期的研究工作（Anal. Chem., 2021, 93, 1717–1724）为基础，通过模仿Kaede光转换荧光蛋白的发光机理，逆向设计了具有迈克尔加成反应活性的新型荧光探针。该探针与正确折叠态蛋白质不结合不发光，选择性结合早期错误折叠态蛋白质发出红色荧光。随着聚集过程加剧，引发探针分子和相变蛋白质之间的迈克尔加成反应形成稳定的共价键，同时荧光信号从红光逐渐变为绿光（图1）。
图1. (a) 探针分子和蛋白在相变聚集过程的反应和发光机制；(b) P1和DHFR蛋白发生相变聚集过程中吸收和荧光发射的变化。
团队进一步通过高分辨质谱和蛋白质定点突变揭示了相变蛋白质和探针分子的共价反应机理。该工作展示了蛋白质在错误折叠过程中，调控半胱氨酸残基的微环境、蛋白聚集的紧实度、以及探针反应活性等因素均会影响该反应的进程（图2a）。基于该化学特性，团队拓展了基于孔雀绿染料骨架结构的新型荧光变色分子，并论证了该共价键反应的化学可调控性和在多种模型蛋白上的普适性（图2b）。最后，团队成功使用此类探针展示了细胞内蛋白质组在药物刺激下从早期错误折叠到晚期相变的转化过程（图2c）。
图2. (a) DHFR蛋白分子中发生迈克尔加成的氨基酸位点和周边微环境环境; (b) 孔雀绿分子反应活性的调控; (c) U251细胞内蛋白质组在不同药物作用时间下的成像。
综上所述，本文首次报道了相变蛋白质界面存在化学反应活性位点，可用来设计荧光探针并通过荧光发射波长的变化示踪蛋白质的相变过程。同时，该工作拓展了对致病蛋白的无定形聚集态的化学靶向手段，为后期发展质谱探针和药物分子捕捉和调控相变蛋白质奠定了理论基础。
这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的通讯作者是中国科学院大连化学物理研究所刘宇研究员。
Covalent Probes for Aggregated Protein Imaging via Michael Addition
Wang Wan, Yanan Huang, Qiuxuan Xia, Yulong Bai, Yuwen Chen, Wenhan Jin, Mengdie Wang, Di Shen, Haochen Lyu, Yuqi Tang, Xuepeng Dong, Zhenming Gao, Qun Zhao, Lihua Zhang, Yu Liu*
Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202015988
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