活细胞内的生物相容性光催化反应实现线粒体蛋白的选择性标记

作者: 邢曦雯 张艳 发布 : 化学科学部

在国家自然科学基金项目（批准号：91753126，21622207，21602242，31671428，和 31530041）的资助下，中国科学院上海有机化学研究所陈以昀课题组和张耀阳课题组合作，利用光的高时空分辨率特性，通过活细胞内的可见光催化叠氮标记反应，实现了对线粒体蛋白的特异性标记。该研究成果以“活细胞内的生物相容性光催化反应实现线粒体蛋白的选择性标记（Selective Mitochondrial Protein Labeling Enabled by Biocompatible Photocatalytic Reactions inside Live Cells）”为题，于2021年7月26号发表在《JACS Au》。论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacsau.1c00172。

生物相容性化学反应是目前研究蛋白质功能的有力工具之一。对病理过程中外部刺激下蛋白相互作用网络变化的精确分析，是疾病研究与药物研发所面临的重要科学问题。但是，穿透细胞膜及在复杂的活细胞内进行生物相容性反应极具挑战，现有的方法尚无法满足亚细胞特异性的蛋白动态变化监测及标记。

上述团队基于前期发现的生物相容性有机小分子染料可在活细胞内实现药物小分子的光释放（Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 58, 561-565），筛选出具有生物膜通透性和低细胞毒性的有机小分子染料，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。与传统方法相比，该方法具有更好的反应效率和生物相容性，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。同时，通过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标记，并具有亚线粒体选择性（图a）。其反应机理经研究证实，首先光诱导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b）。研究团队通过该标记方法，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，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，操作简便且无需复杂操作，具有良好的生物应用前景。

图 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