中紅外光熱顯微成像技術通過用可見光來測量中紅外吸收的光熱信號，能夠以亞微米分辨率“看見”活細胞中不同化學組分的紅外光譜。紅外光譜是最早用于測定蛋白質二級結構的手段之一，特別是酰胺I帶（1600-1700 cm-1）包含了豐富的蛋白質二級結構信息，如ɑ螺旋，β折疊，β轉角和無規則卷曲。而在神經退行性疾病中，致病蛋白質錯誤折疊導致的構象異常都涉及到蛋白質β折疊二級結構的顯著增加。
近日，美國波士頓大學的Ji-Xin Cheng和Ahmad Khalil團隊合作，以亨廷頓舞蹈癥為例， 應用中紅外光熱顯微成像技術，實現了對活細胞中蛋白質聚集體的二級結構研究。
亨廷頓舞蹈癥是由亨廷頓基因中胞嘧啶-腺嘌呤-鳥嘌呤（CAG）三核苷酸的異常擴增，導致變異蛋白含有過長的谷氨酰胺（polyQ）重復。作者基于polyQ重復越長，變異蛋白越容易聚集的特性， 在釀酒酵母中可控地表達不同重復長度的亨廷頓蛋白，并且選擇性地加入了熒光蛋白標記。
首先，作者基于熒光強度隨紅外光熱效應降低的特性，高通量地驗證了亨廷頓蛋白質聚集體具有更多的β折疊二級結構。其次，借助熒光標記蛋白，作者發現亨廷頓聚集體的酰胺I帶具有明顯的β折疊增加的光譜特征，并定量分析了β折疊相對于ɑ螺旋含量的比率。基于蛋白質聚集體β折疊增加的光譜特性，作者通過多光譜中紅外光熱成像，以無標記的形式分析了亨廷頓蛋白質聚集體。
β折疊豐富的核心，而邊緣由ɑ螺旋主導。通過藍光誘導光敏蛋白的多聚，作者推測此分區是由于阮病毒Rnq1與亨廷頓的共同聚集，并且有不同的聚集機制。
總而言之，本文以亨廷頓舞蹈癥為例，建立了一系列基于中紅外光熱的對活細胞內蛋白質聚集體二級結構分析的方法，并有望延伸至其他生物聚集體或其他疾病模型，為蛋白質聚集結構的研究提供了新思路。
Zhongyue Guo,?Dr. Giulio Chiesa,?Jiaze Yin,?Adam Sanford,?Stefan Meier,?Prof. Ahmad S. Khalil,?Prof. Ji-Xin Cheng
Angewandte Chemie International Edition
DOI:?10.1002/anie.202408163
