港城大何明亮/王钻开研发肽自组装：线粒体活性调节活细胞成像

来源：【高分子材料科学】微信公众号

【科研摘要】

模仿大自然在活细胞中协调分子自组装的能力既重要又具有挑战性。分子自组装已在细胞活性控制，药物输送，生物标志物成像等方面得到了广泛的应用。尽管如此，亚细胞器限制的超分子自组装的例子非常少见，并且在这一领域的研究仍然具有挑战性。最近，香港城市大学何明亮，王钻开，孙红燕教授和中科院高能物理研究所胡毅研究员合作提出了一种新的策略，可以通过利用独特的酶SIRT5对线粒体中的超分子自组装进行编程。SIRT5是线粒体定位的酶，属于NAD+依赖性组蛋白脱乙酰基酶家族。越来越多的研究表明，SIRT5参与调节多种生物过程，例如活性氧防御，脂肪酸代谢和细胞凋亡。在这项研究中，他们设计了一类新型的琥珀酰化肽前体，可以通过SIRT5催化将其转化为自组装的构建基块，从而导致在体外和在活细胞中形成超分子纳米纤维。由自组装引起的增加的疏水性显着增强了纳米纤维中硝基苯并恶二唑（NBD）的荧光。通过这种方法，作者首次实现了活细胞中SIRT5的基于活动的成像。而且，发现SIRT5介导的肽自组装使线粒体膜电位去极化并促进ROS的形成。将该肽与三种不同的化学治疗剂共同孵育可显着增强这些药物的抗癌活性。因此，该工作说明了用于SIRT5成像和潜在抗癌治疗的线粒体限制肽自组装的新方法。相关论文Desuccinylation-Triggered Peptide Self-Assembly: Live Cell Imaging of SIRT5 Activity and Mitochondrial Activity Modulation发表在《JACS》上。

【图文解析】

作者假设SIRT5可以充当独特的生物触发物，并诱导线粒体限制的超分子自组装。成功地合成了可以选择性响应SIRT5并自组装形成纳米纤维的肽前体。肽前体主要由三部分组成（图1a）：用于成像的环境敏感荧光团NBD，富含苯丙氨酸的肽片段和Ksucc（琥珀酰赖氨酸）开关模块。先前的研究表明，荧光团NBD在疏水性纳米纤维环境中可以产生明亮的荧光。引入富含苯丙氨酸的肽片段是因为芳香族相互作用有助于形成自组装的纳米纤维。Ksucc开关通过精细控制肽前体的表面电荷和疏水性而具有多种功能：1. Ksucc的羧酸基团增加了前体在水性环境中的溶解度。2.由于静电排斥，Ksucc的负电荷会减少自组装。3. SIRT5酶可以选择性地调节Ksucc的疏水性和电荷。

图1.SIRT5催化的线粒体限制的肽纳米纤维自组装。（a）前体和形成纤维的结构单元的分子结构。肽前体1和2可以被SIRT5脱琥珀酰化，分别生成纤维形成结构单元3和4。（b）由SIRT5在体外触发的自组装过程的示意图。（c）通过内在化的肽前体与SIRT5酶的特异性相互作用，在线粒体内细胞内纤维形成的示意图。

1.SIRT5触发的肽前体的体外自组装

成功合成这些肽后，首先检查了它们是否对SIRT5酶促反应。肽1和2在0.005当量SIRT5和2当量NAD的存在下显示出相当的转化率(图2)。通过孵育肽2进一步评估酶促反应的选择性具有不同的酶，包括SIRT1（一种来自瑟土因家族的酶，但具有独特的底物偏爱性）和酯酶（一种具有水解酶活性的破坏性酶）。结果表明，在这两种酶的存在下，肽2是稳定的。综上所述，这些结果证明所设计的肽前体可以被SIRT5去琥珀酰化并且对SIRT5显示出高特异性。

图2.SIRT5催化的酶促脱琥珀酰化过程诱导的纳米纤维和水凝胶形成。

2.SIRT5触发的活细胞中肽前体的自组装

接下来研究了活细胞中超分子纳米结构自组装的可行性。在我们的研究中选择了表达SIRT5酶的HeLa细胞。简而言之，分别将浓度为50μM和500μM的肽2与HeLa细胞孵育。使用共聚焦荧光显微镜监测细胞的荧光强度（图3）。图3显示了不同浓度的肽2的代表性显微图像。用50μM肽2孵育6小时的细胞显示弱的细胞内荧光（图3b），而与500μM肽2孵育的细胞显示出明显的细胞内荧光（图3a）。与高浓度的肽2一起孵育的细胞内部强烈的荧光现象表明存在纳米级纤维（图3a）。

图3.HeLa细胞中SIRT5触发的自组装。与（a）500μM肽2，（b）50μM肽2和（c）500μM肽2 + 300μMSIRT5抑制剂孵育后的不同时间点的HeLa细胞的荧光共聚焦显微镜图像。

3.线粒体发生自组装

为了探索纳米纤维是否在线粒体区域内空间形成，作者通过孵育肽2和MitoTracker Red（一种用于特异性标记线粒体的染料）进行了共定位实验。如图4a-c所示，在包含NBD的纳米纤维的荧光图像和MitoTracker Red的荧光图像之间可以观察到实质性的重叠，表明形成的纳米纤维确实位于线粒体区域。此外，在细胞的其他区域如细胞核中未观察到明显的NBD荧光。线扫描图（图4d）还证明了肽2纳米纤维的荧光与MitoTracker Red的荧光重叠良好。这些数据强烈表明两种染料之间存在显着的共定位水平，这证实假设，即肽2被SIRT5脱琥珀酰化并主要在细胞的线粒体区域自组装。此外，结合细胞分级分离和TEM成像实验来证明线粒体中纳米纤维的选择性形成。简而言之，首先将HeLa细胞与肽2一起孵育，然后通过文献中所述的方案分离细胞核，线粒体和胞质溶胶级分。进一步的TEM可视化清楚地表明，线粒体级分中存在纳米纤维，而其他纤维中则没有。诸如细胞核和胞质溶胶（图4e）。纳米纤维的尺寸也与图2c所示一致。另外，没有肽2孵育的对照细胞仅显示出无定形物质（图4f）。结合荧光和TEM成像实验，这些数据有力地证明了可以用肽2在线粒体中选择性地形成超分子纳米结构。

图4.共定位和细胞分离实验。用500μM肽2和100 nM MitoTracker Red孵育的HeLa细胞的荧光共聚焦显微镜图像；（a）MitoTracker Red通道；（b）NBD频道；（c）覆盖。比例尺= 20μm。（d）在（c）中横跨HeLa细胞的线性区域的线扫描图。（e）与肽2过夜孵育后的线粒体级分的TEM图像。（f）没有与肽2过夜孵育的线粒体级分的TEM图像。

4.自组装改变线粒体活性并诱导ROS形成

为了检查由SIRT5介导的肽自组装是否可以调节线粒体活性，作者进一步合成了没有荧光团的肽2类似物Fmoc-FFFGKsuccG（肽5，图5a）。由于该肽不含荧光团，因此不会干扰细胞成像实验所需的荧光测试。

图5.（a）肽5的化学结构。（b）与SIRT5和NAD+在缓冲液中孵育的肽5的TEM图像。（c）用肽5孵育HeLa细胞后，线粒体级分的TEM图像。比例尺= 200 nm。（d）暴露于500μM肽5 6 h的HeLa细胞中JC-1染色的荧光图像。比例尺= 50μm。（e）HeLa细胞中与500μM肽5孵育6 h的Mito-SOX染色的荧光图像。对照：在不使用肽5的情况下用载体处理的细胞。比例尺= 50μm。（f）定量分析（d）中红色荧光与绿色荧光的比率，P = 0.006。

实验结果表明，SIRT5可以有效地将85％以上的肽5脱琥珀酰化。接下来，通过水凝胶和TEM实验证实了具有SIRT5的肽5的体外自组装活性（图5b）。随后，将HeLa细胞与肽5孵育过夜，并分离线粒体级分。实际上，在处理肽5后，线粒体部分中发现了大量的纳米纤维（图5c）。另一方面，在未添加肽5的对照细胞中未发现纳米纤维。此外，通过ESI-MS分析在线粒体级分中发现了肽5的去琥珀酰化产物，进一步证明了肽5可以被活细胞中的内源性SIRT5脱琥珀酰化。这些结果共同证明，与肽2相似，肽5可以被内源性SIRT5脱琥珀酰化并在线粒体中选择性地形成纳米纤维结构。

5.肽的自组装增强了不同药物的抗癌活性

作者测试了肽5的细胞毒性（图6d）。孵育72小时后，浓度为500μM的肽本身对HeLa细胞的细胞毒性较低，表明该肽具有良好的生物相容性。令人欣慰的是，将肽5与这三种药物共同温育可显着提高其对HeLa细胞的杀伤能力。例如，将0.2 M DCA与肽5共孵育会导致90％以上的细胞死亡（图6a）。同样，将低剂量的顺铂（0.4μM）与肽5一起使用会导致80％以上的细胞死亡（图6b）。2.5 nM紫杉醇与肽5的共孵育杀死了90％以上的细胞（图6c）。

图6.用（a）DCA，（b）顺铂，（c）含或不含500μM肽5的紫杉醇和（d）仅含肽5（0–500μM）孵育的HeLa细胞的细胞活力测定。

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