由空间受限诱导发光的探针用于监测活细胞中蛋白质构象

实时观察变形的蛋白质

在每个活细胞内，蛋白质在传递信号、感知环境并执行重要功能的过程中不断改变形态。当这些形变出错时会导致许多疾病，然而要在活细胞中直接观察这些运动一直非常困难，尤其是同时覆盖极快和极慢的时间尺度。本文介绍了一种新的发光探针，称为 BIOSCE，它能将微小的蛋白质运动转化为可见的亮度变化，使研究者能够在活细胞内实时追踪单个蛋白质的弯曲、扭转和相互作用。

为活动蛋白质提供的新型光开关

BIOSCE 的核心是一种小型染料分子 MTPABP-Cl，在受到压迫时会变得更明亮。研究者将这种染料连接到一种广泛使用的蛋白标签 HaloTag 上，HaloTag 可以基因融合到几乎任何目标蛋白。当被标记的蛋白改变构象或与邻近分子更紧密地聚合时，会改变染料摆动的“可用空间”。在松散环境中，染料的内部片段可以自由旋转，吸收的光大多以运动的形式耗散；在更紧密的口袋中，这些运动被阻止，染料则把更多能量以光的形式释放出来。这种“由空间受限诱导的发光”将单个蛋白周围局部拥挤度的细微变化转化为平滑的亮度变化，而不是简单的开-关信号，从而使探针对小的构象变化高度敏感。

构建与测试对压迫敏感的染料

团队首先设计并合成了 MTPABP-Cl，使其在溶液中呈暗态，而当被 HaloTag 或更紧凑的融合蛋白固定住时变亮。精确测量显示该染料吸收蓝光并发射远红光，这有利于在细胞深处成像和长期观察。当仅与 HaloTag 结合时其光学输出增加；当 HaloTag 与会围绕染料折叠的伴侣蛋白融合时，亮度进一步提高。计算机模拟证实，在更紧凑的蛋白排列中，染料面临更强的拥挤、更小的暴露表面积以及更多稳定化接触，这些因素共同限制了运动并增强了发光。该染料还能快速且特异性地与 HaloTag 结合，在缺乏该标签的细胞中背景极低，并在工作浓度下无毒性，支持其在活细胞实验中的使用。

追踪快速信号与蛋白质相遇

为演示 BIOSCE 的能力，作者将其应用于若干熟悉的细胞过程。首先他们改造了基于钙调蛋白的钙传感器——钙调蛋白在结合钙离子时会改变构象，而钙离子是神经放电及许多细胞事件中的关键信使。通过将钙调蛋白与 HaloTag 融合并用 MTPABP-Cl 标记，他们构建出一种化学基因指示器，称为 SCECaMP。在人细胞和类神经细胞中，该指示器随钾刺激引发的钙峰值同步明暗变化，其响应速度可与广泛使用的 GCaMP 荧光蛋白相媲美。由于 BIOSCE 信号直接依赖于染料周围的局部拥挤度，它能够忠实反映钙调蛋白的结构变化，同时提供稳定、持久的荧光，适合长期成像。

观察药物驱动的相互作用与毒素损伤

研究者接着探讨 BIOSCE 是否能追踪药物促使两蛋白聚集的过程。他们使用经典体系：雷帕霉素将生长控制通路中的两位伙伴 FKBP 和 FRB 拉到一起。通过将 HaloTag 连接到 FKBP 或 FRB 并用 MTPABP-Cl 标记，他们观察到随着雷帕霉素使这些蛋白接近并重新排列，荧光在毫秒尺度上迅速上升。亮度增加反映了伴侣接近时染料周围微环境的收紧。在更复杂的测试中，他们研究了突触末端释放神经递质关键的蛋白 SNAP25，该蛋白是肉毒毒素 A 型的主要靶点。通过在毒素切割位点的两侧放置 HaloTag 并用该染料标记，他们可以分别追踪切割后 N 端和 C 端片段的运动。单颗粒追踪显示，一个片段保持锚定在细胞膜附近，而另一个片段在细胞质中更自由扩散，而且具体模式取决于标记是在毒素暴露前还是之后进行。该探针甚至能报告 SNAP25 在此过程中由锌诱导的快速构象微调。

对生物学和医学的意义

综上，这些结果表明 BIOSCE 是一种多功能的新方法，可在广泛的时间尺度上可视化单个蛋白在活细胞内如何移动、折叠和相互作用。因为该方法依赖通用的 HaloTag 融合和单一的小分子染料，原则上可应用于许多不同蛋白而无需每次重新设计整个传感器。连续且受限依赖的亮度变化使研究者能够检测到细微的结构转变，而不仅仅是大型的二元事件。展望未来，作者计划改进探针递送和成像深度，以便在组织和整个动物中使用 BIOSCE。如果成功，该方法可能成为将蛋白位置、运动与功能联系起来的有力工具，并最终为细胞行为的详细计算模型提供数据来源。

引用: Jia, H., Yang, L., Yang, Y. et al. Steric confinement-induced emission probe for monitoring protein conformations in live cells. Commun Chem 9, 109 (2026). https://doi.org/10.1038/s42004-026-01914-x

关键词: 蛋白质构象动力学, 活细胞成像, 荧光生物传感器, HaloTag 探针, 肉毒毒素