新型近红外蛋白片段互补系统及其在蛋白间相互作用研究中的应用

Protein-protein interactions (PPIs) are central to all biological processes in living organisms and are often spatio-temporally dysregulated in many diseases. Therefore, real-time monitoring the dynamics of PPIs in vivo holds the key to reveal molecular mechanisms underlying diseases. To meet this need, near-infrared protein-fragment complementation assay (NIR PCA) based on NIR fluorescent proteins (NIR FPs) has been recently developed. This system is becoming a powerful tool to detect PPIs in vivo due to deep penetration in tissue and no requirement for exogenous supply of the chromophore biliverdin (BV). However, the NIR FPs in existing NIR PCAs are not bright and prone to aggregate. Moreover, high detection sensitivity and reversibility do not coexist in same NIR PCA systems, limiting the application in highly sensitive monitoring of the dynamics of PPIs in vivo. In this study, starting from non-bacteriophytochrome protein HY2, applicants will develop a novel monomeric NIR FP with high brightness, and a novel reversible NIR PCA system with high sensitivity using different directed protein evolution methods. With this new NIR PCA system, the dynamic change of interaction between mTOR and raptor in the presence of mTOR inhibitor rapamycin will be monitored in breast cancer-bearing nude mice. This project could speed up the study of mechanisms in PPIs and the process of efficacy evaluation for drugs against PPIs, and also contribute to development of other genetically encoded near-infrared functional probes.

蛋白间相互作用是生物体内生命活动的中心，其时空调节的紊乱与众多疾病密切相关。因而，活体内监测蛋白间相互作用的变化成为揭示疾病发生的分子机制的关键。基于近红外荧光蛋白的片段互补系统具有较深的组织穿透深度且无需加入外源生色团等优点，已成为活体内蛋白间相互作用监测的重要手段。然而，现有系统中的近红外荧光蛋白的亮度较低且易聚集，而且系统无法兼顾高灵敏度和可逆性，无法实现高灵敏的动态监测。本项目拟利用非细菌光敏素的HY2蛋白为新模板，结合不同的蛋白分子进化技术，发展高亮度的单体近红外荧光蛋白。在此基础上，研发高灵敏且可逆的近红外蛋白片段互补系统；利用该互补系统追踪在mTOR抑制剂rapamycin作用下小鼠原位乳腺癌内mTOR和raptor蛋白间相互作用的动态变化。 本项目研究有望促进活体内蛋白间相互作用的机制研究和药物的疗效评估，并为研发其它基因编码的近红外功能探针奠定基础。

蛋白间相互作用是生物体内生命活动的中心，其时空调节的紊乱与众多疾病密切相关。监测蛋白间相互作用的变化是揭示疾病发生的分子机制的关键。基于GFP类蛋白互补系统的波长较短，细胞内自发荧光物质会影响检测结果的准确性，且无法同时检测3对以上的蛋白相互作用。而现有的近红外荧光蛋白互补系统的亮度较低且易聚集，无法实现高灵敏监测蛋白相互作用。本项目拟利用细菌光敏素XccBphP蛋白为新模板，结合不同的蛋白分子进化技术，发展高亮度的单体近红外荧光蛋白。在此基础上，研发高灵敏近红外蛋白片段互补系统；实现在细胞内同时检测多对蛋白间相互作用。本项目开发了高亮度的单体近红外荧光蛋白mIFP663，其量子产率为19.4%。mIFP663在细胞中的有效亮度约为近红外荧光蛋白miRFP670的3倍。mIFP663是一个非常好的蛋白标签，既可以标记蛋白质N端或C端，也可以作为蛋白质内部标签 。本项目利用mIFP663开发了高亮度和高对比度的蛋白互补系统，且结合Split mVens和Split mScarlet-I实现活细胞内同时检测三对蛋白间的相互作用。本项目研究有望促进活体内蛋白间相互作用的机制研究和药物的疗效评估，并为研发其它基因编码的近红外功能探针奠定基础。