ACS Chem. Biol. | 光脫籠策略用於氣味分子的化學傳感研究

2021-01-18 ACS美國化學會

供稿：郭瑋明，北京大學

 

大家好，今天為大家介紹一篇題為「Photoactivatable Odorants for Chemosensory Research」的ACS Chem. Biol.文章。本文通訊作者是佛羅裡達大學的Jeffrey R. Martens以及紐約大學阿布達比分校和喬治亞大學的 Timothy M. Dore。在這篇文章中，作者設計了一種可以紫外光脫除的保護基團，加上保護基團後，失去生物活性的氣味分子可以很好地被遞送到其受體周圍而不激活其受體。只有光照之後，保護基團脫除，才可以釋放出有生物活性的氣味分子。利用此策略，作者成功實現了HEK293細胞中表達的重組TRP離子通道的激活，並且在小鼠嗅覺上皮細胞中觀察到了相應的電嗅覺圖。

氣味分子是一類低分子量的可以被人或動物嗅覺系統所檢測的分子。當它們被吸入鼻腔時，嗅覺上皮細胞的嗅覺神經元可以識別它們。這個過程依賴於氣味分子和其受體的結合。然而，許多的氣味分子非常疏水，在溶液中的擴散速率非常慢，這些氣味分子傳遞到對應的受體蛋白的時間並不可控，給具有高時間分辨的成像以及嗅覺信號通路的研究帶來了困難。

本文中，作者非常巧妙地利用光脫籠技術來解決這個問題。他們選取了8-氰基-7-羥基喹啉(CyHQ)的衍生物作為光脫除的保護基團。它們具有很好的生物相容性和光化學性質。帶上保護基團後，被保護的氣味分子水溶性有了一定程度的增加，光照引發的脫籠反應發生迅速，量子產率也較高，反應的其他產物並不會干擾相關的生物過程。作者合成了一系列CyHQ保護的氣味分子，包括了酚類、醛酮類以及帶有巰基的氣味分子等。這些分子可以紫外光照下發生脫籠反應(圖1)。在365 nm和405 nm的光照條件下，氣味分子可以很快被釋放出來。圖1.使用光脫籠反應釋放氣味分子。

隨後，作者在細胞層面嘗試了此反應。TRP家族蛋白在多種感覺的傳感中都起了十分重要的作用。TRPA1以及TRPV1可以被多種氣味分子激活，作者在HEK 293細胞中分別轉染了TRPA1和TRPV1進行驗證實驗。對於表達TRPV1的HEK 293細胞，作者使用了CyHQ保護的N-香草基壬醯胺(VNA)進行激活。利用膜片鉗可以光照後的很短時間內觀察到TRPV1離子通道被脫籠反應釋放出的VNA分子激活產生的離子流。利用鈣離子螢光染料，也可以觀察到其他各種氣味分子脫籠後迅速激活TRPV1產生的離子流。隨後，在表達TRPA1的HEK 293細胞中，作者選取了丁香酚(EG)進行了光照激活實驗的研究。由於丁香酚極為疏水，添加了大量的丁香酚後，經過較長一段時間才觀察到TRPA1激活的離子流(圖2A)。相反，使用光脫籠策略激活CyHQ保護的丁香酚，少量的丁香酚即可在短時間內產生很高的TRPA1的激活信號(圖2B)。這些動力學實驗表明，天然的疏水的氣味分子的傳輸至其受體蛋白需要較長的時間，而光激活的策略可以很大程度避免不可控的傳輸時間帶來的影響。先前的研究表明，TRPA1以及TRPV1的激動劑需要較長時間才能激活對應的蛋白，而激動劑傳遞到受體附近的時間也被計算在內了。

圖2. 天然的丁香酚(A)以及光照脫籠的丁香酚(B)對於TRPA1蛋白的激活。

 

最後，作者在小鼠的嗅覺上皮細胞進行了實驗，測試了光脫籠產生的氣味分子對嗅覺上皮細胞的刺激。他們證明了光脫籠的另一產物CyHQ-OH，發現其並不會帶來嗅覺上皮細胞膜電位的變化。利用CyHQ保護的丁香酚、苯甲醛以及兩種硫醇分子的測試中，嗅覺電圖(EOG)均表明，光照後小鼠的嗅覺上皮細胞受到氣味分子刺激，嗅覺電圖中的電位變化和光照時間和光照功率均有極大相關性，說明此策略可以有效地激活小鼠嗅覺上皮細胞的功能性反應。

圖3. 光照脫籠的丁香酚引起的小鼠嗅覺上皮細胞的嗅覺電圖變化。

 

總之，本文利用了光脫籠技術進行氣味分子傳感的研究。氣味分子在溶液中的擴散時間很長且不可控，作者給氣味分子加上了CyHQ的保護基團，使其可以很好地擴散到受體周圍而不引起受體的激活。施加光照後，脫籠反應釋放的氣味分子可以快速激活相關受體，避免了氣味分子在溶液中的輸送過程帶來的影響。作者也成功將此技術應用到小鼠的嗅覺上皮細胞中，觀測到了嗅覺電圖的變化。此技術可以時間可控地精確激活嗅覺敏感神經，我們有理由相信它可以在嗅覺相關的動力學甚至藥理學的研究中發揮巨大的作用。


ACS Chem. Biol. 2020, ASAP

Publication Date: August 31, 2020

https://doi.org/10.1021/acschembio.0c00541

Copyright © 2020 American Chemical Society


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