工程改造阳离子-π相互作用的策略及其在检测组蛋白甲基化修饰中的应用

2022年4月5日，浙江大学生研院林世贤实验室在美国化学会志（Journal of the American Chemical Society）上在线发表题为“Manipulating cation-π interactions with genetically encoded tryptophan derivatives” 的研究论文。该论文首次提出了提升阳离子-π相互作用的工程改造新策略，并构建了甲基化修饰的超级读码器用于H3K4me3的检测和成像。这一研究是其实验室开发的嵌合体翻译系统的一项重要研究进展，有望通过构建系列超级读码器，实现组蛋白甲基化修饰的高灵敏在体检测及其精准干预。生研院博士后赵红霞和博士生刘超是论文的共同第一作者，林世贤研究员是本文的通讯作者。
阳离子-π相互作用是发生在阳离子与带有共轭π电子云之间的一种强非共价相互作用，其在生物分子的自组装、分子识别、分子黏连和分子折叠中都扮演着重要作用，并在受体识别神经递质和组蛋白甲基化解码等重要生物过程中发挥着核心功能。阳离子-π相互作用被证明是神经系统识别尼古丁，5-羟色胺，γ-氨基丁酸等活性分子和神经递质的分子基础，也是组蛋白甲基化修饰调控表观遗传的分子基础。




图1. 阳离子-π相互作用的工程改造示意图。
在本论文中，林世贤实验室首先对已知的组蛋白甲基化修饰的读码结构域的“芳香笼”进行系统性地分析，发现80%的“芳香笼”中至少有一个保守的色氨酸，并介导阳离子-π相互作用。基于此，他们提出通过位点特异性地引入给电子基团取代的色氨酸类似物，取代“芳香笼”中的保守色氨酸，以提升“芳香笼”介导的阳离子-π相互作用的策略。通过将系列带有不同电性的色氨酸类似物位点特异性地引入到KDM5A的PHD3结构域的“芳香笼”中，发现给电子基团（甲基，氧甲基）取代的色氨酸类似物确实能显著性地提升PHD3与H3K4me3的亲和力，尤其是单6-氧甲基-色氨酸（6MeOW）替换的PHD3变体（ePHD）与H3K4me3的亲和力提高了8倍。通过多价串联读码器的策略，他们设计了多价串联的ePHD，最终得到的3x ePHD与H3K4me3的亲和力达到7 nM。相比于H3K4me3特异性抗体，超级读码器在检测H3K4me3信号方面展示出了更好的灵敏度和信噪比，具有广泛的应用前景。
该工作得到了国家重点研发计划“合成生物学”青年科学家项目，国家重大研究计划“生物大分子动态修饰与化学干预”培育项目和浙江大学校长专项等项目的资助。目前林世贤实验室正在招募博士后和研究生，开展基于嵌合翻译系统的生物学发现和医药应用研究。（来源：浙江大学）