生物相容性化學反應可以在原生的生物環(huán)境進行，是研究蛋白質功能的有力工具。由于穿透細胞膜的困難性以及活細胞內復雜的生物環(huán)境，在活細胞內進行生物相容性化學反應尤為困難。分析病理過程及外部刺激下蛋白相互作用網絡的變化對于疾病研究與藥物研發(fā)具有重要價值，但現(xiàn)有的生物相容性反應無法實現(xiàn)亞細胞特異性的蛋白動態(tài)變化監(jiān)測及標記。近日，中國科學院上海有機化學研究所陳以昀課題組與張耀陽課題組（交叉中心）合作，利用光具有高時空分辨率的特性，首次使用有機小分子染料作為亞細胞定位的生物相容性光催化劑，通過活細胞內的可見光催化疊氮標記反應實現(xiàn)了線粒體蛋白的特異性標記（圖1a）。
圖1 活細胞內通過生物相容性的可見光催化反應實現(xiàn)線粒體蛋白的選擇性標記
陳以昀課題組前期研究發(fā)現(xiàn)有機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胞內實現(xiàn)小分子藥物的光釋放（Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 58, 561-565），進而篩選生物相容性的有機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胞毒性的問題。他們設計合成了不同的光標記探針，并發(fā)現(xiàn)熒光素、羅丹明 123與吖啶橙在低能量藍色或綠色LED光源照射下能夠有效引發(fā)芳基疊氮探針進行水相的蛋白質標記反應。可見光催化疊氮標記反應具有良好的反應效率，與傳統(tǒng)紫外光引發(fā)疊氮蛋白標記的反應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記反應可縮短至1分鐘甚至秒級。反應機理研究證實光催化三線態(tài)能量轉移引發(fā)芳基疊氮產生活性中間體，進而被蛋白質親核殘基捕獲生成標記產物（圖1b）。通過免疫熒光顯微成像與蛋白質譜分析，線粒體定位染料羅丹明 123可以實現(xiàn)活細胞內線粒體選擇性的蛋白標記。該線粒體蛋白標記方法還具有亞線粒體選擇性，與羅丹明 123在線粒體內的定位區(qū)域符合，主要位于線粒體基質與線粒體內膜區(qū)域。作者通過該標記方法對魚藤酮毒素引發(fā)的線粒體功能失調過程進行了蛋白質組學研究，基于光的高時空分辨率首次發(fā)現(xiàn)了若干動態(tài)變化的線粒體壓力響應蛋白，對相關疾病研究與藥物研發(fā)具有重要價值。該線粒體蛋白選擇性標記新方法可以在原生的生物環(huán)境進行并且具有高時空分辨率，操作簡便并且無需復雜遺傳操作，具有良好的生物應用前景。
相關研究成果近期發(fā)表在JACS Au上［JACS Au 2021, 1(7), 1066-1075.］，研究概念圖被選為JACS Au期刊內封面展示（圖1c）。上海有機所王浩巖、張祎昕、曾凱星、強佳麗（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基金、中國科學院創(chuàng)新交叉團隊項目、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）、生命有機化學國家重點實驗室的大力資助。
