基于单分子拉曼标记和非天然氨基酸的蛋白特异性成像

摘要

新兴的拉曼探针具有分子量更小（<1kDa）、振动光谱线宽更窄（~1nm）、拉曼信号强度更稳定的特点，同时信号与生物分子的浓度成严格的线性关系，因此非常有利于生物体系中定量测量和成像。虽然拉曼探针的这些优良特性明显好于传统荧光标记，但是拉曼标签或拉曼光谱的天然劣势是缺乏蛋白特异性，即不能对某个特定蛋白进行标记和识别。因此长期以来，拉曼标签以及拉曼显微镜发展滞后，只能局限于对生物体系内的代谢物或细胞器的标记和成像，不能利用拉曼光谱有效分辨不同功能的蛋白，这些因素极大的限制了拉曼光谱和拉曼显微镜的发展。同时拉曼信号相对荧光较弱，也严重妨碍了它们在生物学研究中的广泛应用。 针对拉曼探针缺乏蛋白特异性以及拉曼信号较弱的缺点，结合新型拉曼探针、遗传密码子扩充技术和超光谱受激拉曼显微成像技术（hyperspectral stimulated Raman scattering microscopy，HSRS），发展了能够对不同功能的蛋白进行基因特异性成像的方法。利用特别设计的多个苯环共轭增强的小分子拉曼标签，和更精确更少干扰的单个非天然氨基酸（Unnatural amino acid，UAA），对目的蛋白中的特定位点进行修饰，实现了拉曼探针对蛋白的特异性标记，并通过受激拉曼分子显微镜对活细胞中的目的蛋白进行了识别与成像。 具体而言，通过遗传密码子扩充技术——利用具有正交性的Methanosarcina barkeriPylRS（MbPylRS）/tRNACUA识别信使RNA（message RNA，mRNA）上的特定琥珀密码子（TAG），将携带炔烃（C≡C）的单个非天然氨基酸（~0.23kDa）定点掺入到目的蛋白中，然后再用共轭增强的小分子拉曼标签与非天然氨基酸进行点击化学，完成拉曼标记。利用苯环进行共轭增强的拉曼标签与非天然氨基酸连接后的总的分子量约为0.55kDa，其获得的拉曼信号比单个炔基提高了两个数量级，同时拉曼光谱线宽仅为18个波数。 在验证性实验中，通过质粒在HeLa细胞中分别表达外源融合蛋白Histone3.3-EGFP、内质网蛋白EGFP-Sec61β和亨廷顿氏舞蹈症致病蛋白Htt74Q-EGFP，并分别进行了SRS成像。然后，又将作为参照的EGFP去除，通过密码子扩充技术将非天然氨基酸直接掺入到靶蛋白Histone3.3和Htt74Q上，之后通过点击化学反应将苯环增强的拉曼标签与非天然氨基酸连接，成功的对靶蛋白进行了超光谱受激拉曼散射显微成像。最后改造了特定识别BCNK（一种非天然氨基酸，用于活细胞内环加成反应）的氨酰tRNA合成酶MmPylRS-AF，实现了对活细胞内特定蛋白的拉曼标记成像。 综上所述，本文针对拉曼显微成像对蛋白无特异性的劣势，通过建立遗传密码子扩充技术，将带有拉曼特征峰的小分子掺入到感兴趣的蛋白质上，实现了对特定蛋白的成像，为受激拉曼散射显微成像提供了新的思路。通过基因编码靶向的拉曼探针具有蛋白特异性、分子量小、信号强、拉曼光谱窄、光稳定性强等诸多优点和特性，有望在今后的研究和生物医学应用中取代传统的荧光标记和成像方法。

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