光調(diào)控蛋白有助于高時(shí)空分辨精度的探索動(dòng)態(tài)生物功能。光遺傳學(xué)基于光敏蛋白實(shí)現(xiàn)光調(diào)控在過去十幾年極大推動(dòng)了神經(jīng)科學(xué)及相關(guān)生命科學(xué)的發(fā)展。在眾多光遺傳學(xué)方法中，光加籠蛋白策略獨(dú)具特色，可以通過光釋放蛋白活性殘基實(shí)現(xiàn)位點(diǎn)特異性的蛋白光調(diào)控。目前，光加籠蛋白需要通過遺傳編碼的非天然氨基酸引入技術(shù)構(gòu)建（圖1a）。然而，遺傳編碼的光敏蛋白引入方式無法實(shí)現(xiàn)內(nèi)源蛋白的調(diào)控，因此無法研究原生環(huán)境內(nèi)源蛋白功能,也難以進(jìn)行后續(xù)的疾病治療應(yīng)用。為此，小分子策略提供了具有吸引力的解決方案，但是廣為使用的小分子光去籠方法所釋放的活性小分子會(huì)無限制自由擴(kuò)散，降低了該方法的時(shí)空分辨精度。中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所陳以昀課題組一直致力于生物相容光化學(xué)新方法的發(fā)展與應(yīng)用，首次報(bào)道了基于有機(jī)小分子染料的光催化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)活細(xì)胞內(nèi)的生物活性小分子釋放（Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 58, 561）及蛋白質(zhì)選擇性標(biāo)記（JACS Au 2021, 1, 7, 1066），通過小分子染料的亞細(xì)胞定位性提供了細(xì)胞內(nèi)的高時(shí)空分辨光釋放與光標(biāo)記。近日，陳以昀課題組發(fā)展了基于光敏感小分子配體的內(nèi)源蛋白加籠策略，首次實(shí)現(xiàn)了光化學(xué)調(diào)控活細(xì)胞內(nèi)源DNA修復(fù)酶功能（Angew. Chem., Int. Ed. 2022, doi: 10.1002/anie.202115472，圖1b）。
圖1 非天然氨基酸遺傳編碼與小分子配體的光調(diào)控蛋白策略
O6-烷基鳥嘌呤-DNA烷基轉(zhuǎn)移酶（O6-alkylguanine-DNA alkyltransferase, AGT）是哺乳動(dòng)物細(xì)胞DNA烷基化損傷修復(fù)的關(guān)鍵蛋白，也是癌癥病理學(xué)及治療學(xué)研究的重要靶點(diǎn)蛋白（圖2a）。AGT在癌細(xì)胞及正常細(xì)胞均普遍存在，通過藥物小分子抑制AGT活性可以提高烷化抗癌試劑的治療效果。然而，藥物小分子對(duì)癌細(xì)胞AGT抑制的同時(shí)對(duì)正常細(xì)胞AGT也會(huì)不可避免的抑制，導(dǎo)致無法及時(shí)修復(fù)DNA損傷，進(jìn)而表現(xiàn)出血液毒性等副作用（圖2c）。根據(jù)AGT的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，陳以昀課題組設(shè)計(jì)并合成了多個(gè)AGT的光敏感小分子配體（圖2b）。通過有效分子濃度提升，AGT的145位半胱氨酸活性殘基被小分子配體O6-NBG3的光敏感基團(tuán)特異性修飾，從而封閉了其DNA修復(fù)功能。O6-NBG3加籠的烷基化AGT在紫外光或可見光照射下，可以特異性的釋放145位半胱氨酸活性位點(diǎn)并恢復(fù)其DNA修復(fù)功能。該光調(diào)控方法在純蛋白體系、大腸桿菌及哺乳細(xì)胞體系可以實(shí)現(xiàn)AGT功能的快速開關(guān)控制，且具有光劑量依賴性。O6-NBG3可以實(shí)現(xiàn)哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)源AGT的光調(diào)控，首次展示了乳腺癌MCF-7細(xì)胞對(duì)烷化試劑耐受性的時(shí)空選擇性光干預(yù)（圖2c）。經(jīng)O6-NBG3處理的MCF-7細(xì)胞對(duì)抗癌藥物卡莫司汀（BCNU）表現(xiàn)出高敏感性，降低了細(xì)胞存活率；而光照可以提高O6-NBG3處理的MCF-7細(xì)胞的BCNU耐藥性，從而提升了細(xì)胞存活率。
圖2 細(xì)胞內(nèi)源AGT的光調(diào)控及癌細(xì)胞選擇性抑制應(yīng)用
該研究為靶向抑制癌細(xì)胞AGT活性的癌癥治療提供了新思路?；谛》肿优潴w的加籠策略可實(shí)現(xiàn)內(nèi)源蛋白活性位點(diǎn)的時(shí)空選擇性光干預(yù)，為內(nèi)源蛋白研究提供了具有吸引力的小分子配體解決方案。相關(guān)研究成果近期以“Ligand-Directed Caging Enables the Control of Endogenous DNA Alkyltransferases Activity with Light inside Live Cells”為題發(fā)表在Angew. Chem., Int. Ed.。上海有機(jī)所張祎昕副研究員、韓麗麗（上科大聯(lián)合培養(yǎng)）為文章共同第一作者。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、上海市科委、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。
