軸突再生是再生神經生物學的基本挑戰之一，需使用特製生物材料來控制細胞和生物分子的傳遞。目前備受關注的構建方法是直接將工程蛋白組裝成高級結構，而這一過程通常依賴複雜的蛋白質化學。此類蛋白質材料具有遺傳編程和功能多樣性，已成為天然或合成聚合物很有潛力的替代品。且金屬-配體的配位相互作用在轉錄調控、蛋白質相變和水下黏附等生物現象中起著至關重要的作用。因此作者設想，His6-tag與過渡金屬離子(Co、Ni、Cu和Zn)之間的配位相互作用，也可能為重組蛋白組裝成高級結構提供一種通用方法。
基於此，香港科技大學孫飛課題組提出了一種簡單有效的方法：通過金屬定向組裝His6標記的蛋白質來構建可注射的光響應水凝膠。B 12依賴的光受體蛋白CarH C可以通過氨基末端的His6-tag與過渡金屬離子絡合，在加入輔助因子AdoB 12後進一步進行溶膠-凝膠轉變，從而形成具有明顯可注射性和可光降解性的水凝膠。這種可誘導的相變使細胞和蛋白質易於包裹和釋放。將修飾有白血病抑制因子LIF的Zn 2+配位凝膠注射到損傷的小鼠視神經中，可延長細胞信號轉導時間，並促進軸突再生。本研究闡明了設計可注射生物材料的有效策略。該研究以題為「Injectable, photoresponsive hydrogels for delivering neuroprotective proteins enabled by metal-directed protein assembly」發表在最新一期《 Science Advances》上。文獻DOI: 10.1126/sciadv.abc4824
蛋白質結構設計
作者選擇了His6標記的模型系統重組蛋白（圖1）：SpyTag-ELP-CarH C-ELP-SpyTag (ACA)，結構中心區域CarH C是B 12依賴的光感受器， 輔助因子AdoB 12中的C - Co鍵對綠光(522 nm)敏感。CarH C自組裝成四聚體, 在黑暗中與AdoB 12結合併在光照下分解成單體，伴隨著AdoB 12中光不穩定的C—Co鍵斷裂，釋放出4′，5′-脫水腺苷，His 132與Co中心配位。側翼的ELP結構域由重複的五肽 (VPGXG) 15組成。
圖1. His6標記CarHC的金屬定向組裝成光響應水凝膠
蛋白質組裝及其可注射性
在AdoB 12存在下，His6-tag與二價過渡金屬離子（如Co 2+、Ni 2+、Cu 2+、Zn 2+）能誘導ACA凝膠化(摩爾比ACA:M=1:2)。流變學測量結果(圖2A)顯示，暗箱中加入AdoB 12後，在15 min內達到穩定狀態。對四種M 2+-配位凝膠進行掃頻試驗，證實了固體物質的形成(圖2B)。將凝膠與Tris緩衝液在黑暗中浸泡5天後，蛋白損失小於10%，表明金屬協調蛋白網絡的顯著穩定性(圖2C)。同時，M 2+協調凝膠進行了快速gel-sol轉型,伴隨著G』的明顯降低，在連續的白色發光二極體照明(圖2D)。總之，以上結果證明了利用His6-tag/M 2+配位相互作用將His6-tag CarH C轉化為穩定的光響應性水凝膠的可行性。隨後，金屬配合CarH C水凝膠的應變掃描試驗結果顯示了其強大的自愈行為，以及它們的急劇屈服轉變，高度指示了可注射性，這表明其可能用於侵入性較小的治療傳遞。
圖2. 金屬配位蛋白質網絡的物理性質
細胞包封和光誘導釋放
作者檢測了Zn 2+封裝小鼠細胞的能力。標準活/死染色法結果表明，經包封12 h後，大部分3T3成纖維細胞(90.0±3.6%)和骨髓間充質幹細胞(88.0±1.4%)仍然存活(圖3)，證實了Zn 2+配位凝膠的細胞相容性。在光照下，被包封的細胞在8 min內可以從Zn 2+凝膠中釋放出來。金屬配位光響應水凝膠因具有毒性低、易於細胞封裝和回收的特點可能成為三維細胞培養和移植的多功能系統。接著，作者證明了利用金屬配合光響應水凝膠進行光學控制遞送蛋白質治療及在體內實現延長生物信號傳導的可行性。
圖3. 光誘導細胞釋放
富含LIF的水凝膠促進軸突再生
最後，利用視神經擠壓模型進一步研究了富含LIF的水凝膠對神經保護和軸突再生的影響。C57BL/6小鼠視神經損傷後，玻璃體內注射在玻尿酸（TBS）、TBS中的LIF溶液或LIF凝膠。在黑暗和正常晝夜條件下，使用含LIF的凝膠可使活體RGC的數量增加約30%，表明凝膠在體內具有更好的神經保護作用。與TBS治療的小鼠相比，注射LIF溶液或LIF載藥凝膠可顯著增強軸突再生，尤其是長度≥0.2 mm的軸突（圖4）。注射LIF凝膠後，黑暗下飼養的小鼠表現出較強的軸突再生，其中再生軸突的數量（0.5 mm）是用LIF溶液處理的小鼠的3倍。綜上所述，結果證明了金屬配位的蛋白質水凝膠能夠持續傳遞神經保護蛋白，展示了其在神經再生方面的潛力。
圖4. 視神經軸突再生
研究結果
該研究報導了利用His 6標記CarH C金屬定向組裝的可注射的光響應蛋白水凝膠。由於其化學/光誘導的相變，這些蛋白質材料使得活細胞和生物活性蛋白質可以輕易地包封和可控釋放。這種飾有神經保護細胞因子的凝膠已被證明在體內有效地增強神經細胞存活和促進軸突再生，從而為解決再生神經生物學面臨的挑戰指明了新方向。
全文連結：
https://advances.sciencemag.org/content/6/41/eabc4824
來源：高分子科學前沿
聲明：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！
投稿模板：
單篇報導：
系統報導：
歷史進展：
特別聲明：以上內容(如有圖片或視頻亦包括在內)為自媒體平臺「網易號」用戶上傳並發布，本平臺僅提供信息存儲服務。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.