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作为一?/span>生活?/span>的常?/span>致癌物,甲醛?/span>对人?/span>产生很大?/span>危害。但另一方面,生物体本身?/span>产生一?/span>?/span>的甲醛?/span>这些“内源?/span>甲醛分子?/span>多条生理代谢途径?/span>原料或产?/span>?/span>?/span>细胞的存活与生长密切相关?/span>有研究显?/span>?/span>作为一碳化合物,甲醛能够被纳入一碳循环(one-carbon-cycle),用于DNA?/span>必需氨基酸的合成?/span>Burgos-Barragan, G. et al. Nature, 2017, 548, 549?54?/span>?/span>虽然甲醛?/span>这些生理功能逐渐?/span>揭示?/span>与甲醛相关的许多疑问?/span>有待探索。例如,细胞是通过何种机制?/span>特异识别和感?/span>内源甲醛?/span>浓度?/span>甲醛对应的信?/span>是如?/span>在细胞内传?/span>?/span>产生响应?/span>?/span>避免甲醛造成?/span>损伤?/span>?/span>们又能否对细胞内的甲?/span>动态分?/span>进行精准探测?/span>?/span>揭示甲醛的生理功能呢?/span>
针对上述问题?/span>北京大学化学与分子工程学院、北?/span>-清华生命科学联合中心陈鹏课题?/span>着手对一个独特的甲醛响应?/span>转录因子HxlR进行?/span>深入研究?/span>首次从结构与化学机理?/span>揭示?/span>甲醛诱导HxlR蛋白发生分子内交?/span>反应?/span>所产生的“亚甲基桥?/span>?/span>methylene bridge)这一特殊化学修饰?/span>HxlR产生功能获得?/span>?/span>gain-of-function?/span>生理响应?/span>基于这一发现?/span>他们开发了首个?/span>遗传编码的甲醛荧光探针(FAsor?/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?/span>?/span>相关成果?/span>2021?/span>1?/span>25?/span>在线发表?/span>《自?/span>-通讯》杂志(Nature Communications?/span>?/span>“Genetically encoded formaldehyde sensors inspired by a protein intra-helical crosslinking reaction?/span> ?/span>DOI?/span>10.1038/s41467-020-20754-4?/span>?/span>
甲醛?/span>?/span>生物学和化学领域的研究者来说并不陌?/span>?/span>如果思考这样一个问?/span>?/span>甲醛与蛋白质会发生什?/span>化学反应?/span>答案可能是,?/span>?/span>能够?/span>蛋白质上的亲?/span>?/span>氨基酸侧链发生加成反?/span>?/span>甲醛作为蛋白质交联试剂,能够在蛋白质的亲?/span>?/span>残基?/span>?/span>赖氨酸)之间形成交联?/span>使蛋白质变性失?/span>?/span>然而,甲醛使蛋白质变性的原因不能?/span>细胞响应甲醛的机?/span>划等?/span>?/span>首先?/span>使蛋白质变性的甲醛浓度?/span>高于细胞内源甲醛?/span>浓度范围?/span>其次?/span>甲醛使蛋白质变性是一种非特异性的?/span>损伤性的过程?/span>这很难作?/span>细胞精确响应和调?/span>生理水平甲醛?/span>工作机制?/span>因此?/span>甲醛在细胞中有哪?/span>特异性的响应模式?/span>这些响应是通过什么样的分子机制实现的?/span>仍是一?/span>未知的问题?/span>?/span>枯草芽孢杆菌发现?/span>HxlR蛋白是一种转录激活因?/span>?/span>能够在甲醛刺激?/span>激活下游基因转录,进行功能获得性(gain-of-function)的生理响应?/span>Yurimoto, H. et al. Mol. Microbiol., 2005, 57, 511?19?/span>?/span>?/span>HxlR这一特?/span>?/span>吸引?/span>研究团队选择HxlR蛋白以探?/span>?/span>?/span>特异?/span>响应甲醛分子的机?/span>?/span>
首先,为了确?/span>HxlR蛋白直接与甲醛发生了化学反应?/span>研究团队结合质谱分析?/span>X射线晶体?/span>研究?/span>HxlR与甲?/span>的相互作?/span>?/span>HxlR与甲?/span>共孵?/span>?/span>的质谱分析显?/span>?/span>甲醛能够?/span>HxlR发生+12 Da的分子量偏移。这一变化?/span>甲醛诱导的亚甲基?/span>?/span>一致,说明HxlR很有可能直接与甲醛发?/span>?/span>反应。进一步的二级质谱肽段鉴定,以?/span>HxlR-甲醛共晶结构解析共同佐证了这一点?/span>两者的结果均显示,与甲醛反应之后,位于HxlR蛋白N?/span>第一?/span>α螺旋?/span>半胱氨酸?/span>Cys11?/span>?/span>赖氨酸(Lys13?/span>残基之间形成?/span>位点特异?/span>“亚甲基桥?/span>?/span>针对这一发现?/span>研究团队又通过位点突变来确?/span>?/span>交联反应?/span>HxlR蛋白功能的联?/span>?/span>结果显示,无?/span>突变?/span>一个位点(C11A?/span>K13A),HxlR都将失去响应甲醛的能力?/span>这说?/span>HxlR蛋白的确通过Cys11?/span>Lys13特异性识别甲醛,形成亚甲基桥这一独特?/span>化学修饰?/span>实现转录功能?/span>激?/span>?/span>
甲醛?/span>HxlR蛋白位点特异?/span>反应形成分子?/span>?/span>亚甲基桥?/span>
那么甲醛诱导的分子内交联又是如何实现?/span>HxlR蛋白功能?/span>激?/span>?/span>研究团队接下来仔细分析了不同处理条件与突变体?/span>HxlR蛋白晶体结构?/span>通过?/span>甲醛处理前后?/span>HxlR结构对比?/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?/span>Cys11-Lys13亚甲基桥迫使原本位于同一α螺旋两侧?/span>?/span>个氨基酸侧链相互靠近?/span>扭曲?/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?/span>极大?/span>增强HxlR蛋白?/span>DNA的结合能?/span>?/span>激?/span>下游基因的转?/span>?/span>至此?/span>研究团队揭示?/span>HxlR特异性响应甲醛并发生结构与功能转换的分子机制?/span>
甲醛通过位点特异?/span>亚甲基桥?/span>激?/span>转录因子HxlR
这一甲醛响应机制的解?/span>进一?/span>?/span>研究团队提供?/span>启示?/span>HxlR特异性响应甲醛的构象变化可以用于设计甲醛检?/span>?/span>荧光探针?/span>目前?/span>报道的甲醛探针均为小分子探针,时空分辨率?/span>细胞?/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?/span>基因编码的荧光探针,在时空分辨的检测、动态检?/span>?/span>方面都更?/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?/span>?/span>HxlR蛋白相应甲醛?/span>分子机制的解析无疑为这一问题提供了解决方案?/span>
基于?/span>HxlR蛋白的结构分析,研究团队?/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?/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?/span>细胞内甲醛浓度的动态检?/span>;通过多色荧光成像,对不同亚细胞空?/span>?/span>甲醛变化进行了同?/span>检?/span>?/span>通过干扰甲醛代谢通路,记录了探针?/span>胞内甲醛生理浓度变化的响?/span>?/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?/span>?/span>对甲醛的动态响?/span>?/span>验证?/span>该探针具?/span>动物组织水平的应?/span>潜力?/span>
基于甲醛响应转录因子HxlR蛋白?/span>新型甲醛探针
综上,该工作实现?/span>?/span>?/span>甲醛响应?/span>蛋白HxlR?/span>机制解析?/span>发现了甲?/span>诱导HxlR产生独特化学修饰?/span>并由?/span>亚甲?/span>?/span>引起构象变化?/span>激活转录调控的分子机制?/span>受此启发?/span>研究团队进一?/span>开发了首个遗传编码?/span>甲醛探针?/span>为研究细胞内源甲醛的调控与功?/span>提供了重要工?/span>?/span>
需要指出的是,本研究发现的“分子内交联?/span>这一独特?/span>化学修饰,可?/span>与蛋白酰基化、烷基化?/span>翻译后修?/span>类似?/span>能够调控蛋白质的活?/span>与功?/span>?/span>例如?/span>?/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?/span>修饰,在邻近?/span>精氨?/span>?/span>Arg)与半胱氨酸?/span>Cys)之?/span>产生交联,启动下游应激响应?/span>Bollong, M. et al. Nature, 2018, 562, 600?/span>604?/span>?/span>可以预见,“分子内交联?/span>修饰?/span>种类?/span>性质与功?/span>?/span>值得进一步探索?/span>
陈鹏课题?/span>2012级博士毕业生祝融峰、张功为共同第一作?/span>?/span>北京大学生命科学学院?/span>生命科学联合中心李毓龙教?/span>及其课题?/span>2012级博士毕业生井淼完成?/span>动物实验关键数据?/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?/span>-清华生命科学联合中心的资助?/span>
论文链接?/span>//www.nature.com/articles/s41467-020-20754-4