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陈鹏课题组发现甲醛“激活”蛋白质的独特化学修é¥?/h1>
作者:     来源ï¼?nbsp;    发布日期:2021-01-29

作为一ç§?/span>生活ä¸?/span>的常è§?/span>致癌物,甲醛ä¼?/span>对人ä½?/span>产生很大çš?/span>危害。但另一方面,生物体本身ä¹?/span>产生一å®?/span>é‡?/span>的甲醛ã€?/span>这些“内源â€?/span>甲醛分子æ˜?/span>多条生理代谢途径çš?/span>原料或产ç‰?/span>ï¼?/span>ä¸?/span>细胞的存活与生长密切相关ã€?/span>有研究显ç¤?/span>ï¼?/span>作为一碳化合物,甲醛能够被纳入一碳循环(one-carbon-cycle),用于DNAä¸?/span>必需氨基酸的合成ï¼?/span>Burgos-Barragan, G. et al. Nature, 2017, 548, 549â€?54ï¼?/span>ã€?/span>虽然甲醛çš?/span>这些生理功能逐渐è¢?/span>揭示ï¼?/span>与甲醛相关的许多疑问ä»?/span>有待探索。例如,细胞是通过何种机制æ�?/span>特异识别和感çŸ?/span>内源甲醛çš?/span>浓度ï¼?/span>甲醛对应的信å�?/span>是如ä½?/span>在细胞内传é€?/span>ï¼?/span>产生响应ï¼?/span>å¹?/span>避免甲醛造成çš?/span>损伤ï¼?/span>æˆ?/span>们又能否对细胞内的甲é†?/span>动态分å¸?/span>进行精准探测ï¼?/span>ä»?/span>揭示甲醛的生理功能呢ï¼?/span>

针对上述问题ï¼?/span>北京大学化学与分子工程学院、北å¤?/span>-清华生命科学联合中心陈鹏课题ç»?/span>着手对一个独特的甲醛响应çš?/span>转录因子HxlR进行äº?/span>深入研究ï¼?/span>首次从结构与化学机理ä¸?/span>揭示äº?/span>甲醛诱导HxlR蛋白发生分子内交è�?/span>反应ï¼?/span>所产生的“亚甲基桥â€?/span>ï¼?/span>methylene bridge)这一特殊化学修饰ä½?/span>HxlR产生功能获得æ€?/span>ï¼?/span>gain-of-functionï¼?/span>生理响应ã€?/span>基于这一发现ï¼?/span>他们开发了首个å�?/span>遗传编码的甲醛荧光探针(FAsorï¼?/span>,成功应用于检测活细胞以及小鼠脑组织切片中甲醛的动态变åŒ?/span>ã€?/span>相关成果äº?/span>2021å¹?/span>1æœ?/span>25æ—?/span>在线发表åœ?/span>《自ç„?/span>-通讯》杂志(Nature Communicationsï¼?/span>ï¼?/span>“Genetically encoded formaldehyde sensors inspired by a protein intra-helical crosslinking reactionâ€?/span> ï¼?/span>DOIï¼?/span>10.1038/s41467-020-20754-4ï¼?/span>ã€?/span>

甲醛å¯?/span>äº?/span>生物学和化学领域的研究者来说并不陌ç”?/span>ã€?/span>如果思考这样一个问é¢?/span>ï¼?/span>甲醛与蛋白质会发生什ä¹?/span>化学反应ï¼?/span>答案可能是,ç”?/span>é†?/span>能够ä¸?/span>蛋白质上的亲æ ?/span>æ€?/span>氨基酸侧链发生加成反åº?/span>ï¼?/span>甲醛作为蛋白质交联试剂,能够在蛋白质的亲æ ?/span>æ€?/span>残基ï¼?/span>å¦?/span>赖氨酸)之间形成交联ï¼?/span>使蛋白质变性失æ´?/span>ã€?/span>然而,甲醛使蛋白质变性的原因不能ä¸?/span>细胞响应甲醛的机åˆ?/span>划等å�?/span>ã€?/span>首先ï¼?/span>使蛋白质变性的甲醛浓度è¿?/span>高于细胞内源甲醛çš?/span>浓度范围ï¼?/span>其次ï¼?/span>甲醛使蛋白质变性是一种非特异性的ã€?/span>损伤性的过程ï¼?/span>这很难作ä¸?/span>细胞精确响应和调æŽ?/span>生理水平甲醛çš?/span>工作机制ã€?/span>因此ï¼?/span>甲醛在细胞中有哪äº?/span>特异性的响应模式ï¼?/span>这些响应是通过什么样的分子机制实现的ï¼?/span>仍是一ä¸?/span>未知的问题ã€?/span>åœ?/span>枯草芽孢杆菌发现çš?/span>HxlR蛋白是一种转录激活因å­?/span>ï¼?/span>能够在甲醛刺激ä¸?/span>激活下游基因转录,进行功能获得性(gain-of-function)的生理响应ï¼?/span>Yurimoto, H. et al. Mol. Microbiol., 2005, 57, 511â€?19ï¼?/span>ã€?/span>å�?/span>HxlR这一特æ€?/span>çš?/span>吸引ï¼?/span>研究团队选择HxlR蛋白以探ç©?/span>å…?/span>â€?/span>特异â€?/span>响应甲醛分子的机åˆ?/span>ã€?/span>

首先,为了确è®?/span>HxlR蛋白直接与甲醛发生了化学反应ï¼?/span>研究团队结合质谱分析ä¸?/span>X射线晶体å­?/span>研究äº?/span>HxlR与甲é†?/span>的相互作ç”?/span>ã€?/span>HxlR与甲é†?/span>共孵è‚?/span>å�?/span>的质谱分析显ç¤?/span>ï¼?/span>甲醛能够ä½?/span>HxlR发生+12 Da的分子量偏移。这一变化ä¸?/span>甲醛诱导的亚甲基æ¡?/span>è¿?/span>一致,说明HxlR很有可能直接与甲醛发ç”?/span>äº?/span>反应。进一步的二级质谱肽段鉴定,以å�?/span>HxlR-甲醛共晶结构解析共同佐证了这一点ã€?/span>两者的结果均显示,与甲醛反应之后,位于HxlR蛋白Nç«?/span>第一ä¸?/span>α螺旋çš?/span>半胱氨酸ï¼?/span>Cys11ï¼?/span>ä¸?/span>赖氨酸(Lys13ï¼?/span>残基之间形成äº?/span>位点特异çš?/span>“亚甲基桥â€?/span>ã€?/span>针对这一发现ï¼?/span>研究团队又通过位点突变来确è®?/span>è¯?/span>交联反应ä¸?/span>HxlR蛋白功能的联ç³?/span>ã€?/span>结果显示,无è®?/span>突变å“?/span>一个位点(C11Aæˆ?/span>K13A),HxlR都将失去响应甲醛的能力ã€?/span>这说æ˜?/span>HxlR蛋白的确通过Cys11å’?/span>Lys13特异性识别甲醛,形成亚甲基桥这一独特çš?/span>化学修饰ï¼?/span>实现转录功能çš?/span>激æ´?/span>ã€?/span>

甲醛ä¸?/span>HxlR蛋白位点特异æ€?/span>反应形成分子å†?/span>â€?/span>亚甲基桥â€?/span>

那么甲醛诱导的分子内交联又是如何实现å¯?/span>HxlR蛋白功能çš?/span>激æ´?/span>ï¼?/span>研究团队接下来仔细分析了不同处理条件与突变体çš?/span>HxlR蛋白晶体结构ã€?/span>通过å¯?/span>甲醛处理前后çš?/span>HxlR结构对比ï¼?/span>他们发现看似简单的亚甲基桥却引起了蛋白整体构象的极大变化!甲醛诱导çš?/span>Cys11-Lys13亚甲基桥迫使原本位于同一α螺旋两侧çš?/span>ä¸?/span>个氨基酸侧链相互靠近ï¼?/span>扭曲äº?/span>α螺旋结构,并“牵一发而动全身”,带动HxlR蛋白N端主链朝向翻转(N-terminal flipping),使得蛋白整体构象发生改变ï¼?/span>极大åœ?/span>增强HxlR蛋白ä¸?/span>DNA的结合能åŠ?/span>ï¼?/span>激æ´?/span>下游基因的转å½?/span>ã€?/span>至此ï¼?/span>研究团队揭示äº?/span>HxlR特异性响应甲醛并发生结构与功能转换的分子机制ã€?/span>

甲醛通过位点特异çš?/span>亚甲基桥è¿?/span>激æ´?/span>转录因子HxlR

这一甲醛响应机制的解æž?/span>进一æ­?/span>ä¸?/span>研究团队提供äº?/span>启示ï¼?/span>HxlR特异性响应甲醛的构象变化可以用于设计甲醛检æµ?/span>çš?/span>荧光探针ã€?/span>目前å·?/span>报道的甲醛探针均为小分子探针,时空分辨率ä¸?/span>细胞ã€?/span>组织特异性受到限制,难以对甲醛的细胞内分布进行精确检测ã€?/span>基因编码的荧光探针,在时空分辨的检测、动态检æµ?/span>ç­?/span>方面都更æœ?/span>优势,但鉴于甲醛响应机制研究的缺乏,难以设计基于蛋白质的探针ã€?/span>è€?/span>HxlR蛋白相应甲醛çš?/span>分子机制的解析无疑为这一问题提供了解决方案ã€?/span>

基于å¯?/span>HxlR蛋白的结构分析,研究团队å�?/span>HxlR特定位点嵌入了对结构变化敏感的荧光蛋白,并通过筛é€?/span>和优化,成功开发出一系列新型基因编码的甲醛荧光探针。他们首先在体外实验中对探针进行了表征。之后,研究团队利用该探针,成功进行äº?/span>细胞内甲醛浓度的动态检æµ?/span>;通过多色荧光成像,对不同亚细胞空é—?/span>ä¸?/span>甲醛变化进行了同æ­?/span>检æµ?/span>ï¼?/span>通过干扰甲醛代谢通路,记录了探针å¯?/span>胞内甲醛生理浓度变化的响åº?/span>ã€?/span>进一步,研究团队与北京大学李毓龙课题组合作,检测了该探针在小鼠脑组织切ç‰?/span>ä¸?/span>对甲醛的动态响åº?/span>ï¼?/span>验证äº?/span>该探针具æœ?/span>动物组织水平的应ç”?/span>潜力ã€?/span>

基于甲醛响应转录因子HxlR蛋白çš?/span>新型甲醛探针

 综上,该工作实现äº?/span>å¯?/span>â€?/span>甲醛响应â€?/span>蛋白HxlRçš?/span>机制解析ï¼?/span>发现了甲é†?/span>诱导HxlR产生独特化学修饰ï¼?/span>并由è¯?/span>亚甲åŸ?/span>æ¡?/span>引起构象变化å’?/span>激活转录调控的分子机制ã€?/span>受此启发ï¼?/span>研究团队进一æ­?/span>开发了首个遗传编码çš?/span>甲醛探针ï¼?/span>为研究细胞内源甲醛的调控与功èƒ?/span>提供了重要工å…?/span>ã€?/span>

需要指出的是,本研究发现的“分子内交联â€?/span>这一独特çš?/span>化学修饰,可èƒ?/span>与蛋白酰基化、烷基化ç­?/span>翻译后修é¥?/span>类似ï¼?/span>能够调控蛋白质的活æ€?/span>与功èƒ?/span>ã€?/span>例如è¿?/span>æœ?/span>有研究显示,糖酵解通路的中间产物丙酮醛,可以对细胞氧化应激通路蛋白KEAP1进行“分子内交联â€?/span>修饰,在邻近çš?/span>精氨é…?/span>ï¼?/span>Arg)与半胱氨酸ï¼?/span>Cys)之é—?/span>产生交联,启动下游应激响应ï¼?/span>Bollong, M. et al. Nature, 2018, 562, 600â€?/span>604ï¼?/span>ã€?/span>可以预见,“分子内交联â€?/span>修饰çš?/span>种类ã€?/span>性质与功èƒ?/span>ï¼?/span>值得进一步探索ã€?/span>

 陈鹏课题ç»?/span>2012级博士毕业生祝融峰、张功为共同第一作è€?/span>ï¼?/span>北京大学生命科学学院ã€?/span>生命科学联合中心李毓龙教æŽ?/span>及其课题ç»?/span>2012级博士毕业生井淼完成äº?/span>动物实验关键数据ã€?/span>该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、北京分子科学国家研究中心以及北å¤?/span>-清华生命科学联合中心的资助ã€?/span>

论文链接ï¼?/span>//www.nature.com/articles/s41467-020-20754-4

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