近日，上海交通大学张江高等研究院超快科学中心的李丹教授团队，以及中国科学院大连化学物理研究所刘宇研究员团队，应邀在国际知名学术期刊《Current Opinion in Chemical Biology》上发表了题为“Chemical probes for investigating protein liquid-liquid phase separation and aggregation” 的综述文章。在文章中，作者介绍了化学探针在探测蛋白质不同凝聚（condensation）状态中的应用,并展望了化学探针在未来研究和应用方面的发展。

蛋白质能够组装产生不同的凝聚状态，包括液-液相分离态、淀粉样聚集态、无定形聚集态等。这些凝聚状态在生物体中分别具有不同的生物和病理活性。化学探针是追踪蛋白质凝聚过程和区分不同凝聚态的重要工具。然而，与天然状态相比，蛋白质在不同凝聚状态下可能采用不同的构象，并可能具有独特的分子间相互作用。开发选择性靶向蛋白质特定凝聚状态的化学探针不仅有助于揭示和理解细胞中不同类型蛋白质凝聚的分子相互作用规律，而且对于检测病理性蛋白质聚集以用于蛋白凝聚紊乱导致的重要疾病（如神经退行性疾病）的早期临床诊断和分类具有重要意义。作者在综述中介绍了不同类型的化学探针，它们被设计用于识别不同凝聚状态的蛋白质，包括液-液相分离态和纤维聚集态，并讨论了它们在体外和胞内研究不同性质的蛋白质凝聚体中的各种应用（例如，可视化、调节和识别等）。

在第一部分中，作者主要介绍了针对靶向蛋白质液-液相分离态的化学探针。由于蛋白质液-液相分离态缺乏明确的三维结构表征，因此基于结构的合理小分子探针设计一直具有挑战性。目前，大多数探针的结合模式背后的机制仍然未知，但可能涉及到潜在的阳离子-Pi、Pi-Pi和疏水相互作用。本部分以Pyr-A和TASG为例，介绍了细胞内蛋白质相分离成像探针的研究进展。此外，AIM4和bis-ANS也作为示例，介绍了可调节蛋白质相分离的小分子。总之，这些用于相分离过程的探针在结构上具有共同特征，通常包括疏水性、芳香族或带电结构部分（如图1所示）。这些结构和物理化学性质的特点可能有助于它们对由阳离子-Pi、Pi-Pi、静电、偶极-偶极和疏水相互作用组装的相分离生物分子具有出色的结合选择性。

图1. 用于成像和调节蛋白质液-液相分离态的探针

在第二部分中，作者进一步关注了靶向蛋白质淀粉样纤维聚集态的化学探针。长期以来，淀粉样纤维聚集被认为是神经退行性疾病发生发展的关键因素。自1922年刚果红分子（CR）被发现以来，研发成像蛋白质纤维聚集体的化学探针的研究已有超过100年的历史。在综述中，作者介绍了三种不同类别的化学探针，包括：(1) 以CR、硫黄素T（ThT）和pFTAA为例的广泛与不同聚集体结合的淀粉样蛋白染料；(2) 以APN1607为例的PET示踪剂，则选择性识别特定的病理性淀粉样蛋白聚集体；(3) 以EGCG为例的用于解聚淀粉样纤维的化学粘合剂。此外，随着冷冻电镜技术的发展，小分子和纤维复合体的结构也越来越多的被报道。作者分析比较了APN1607和EGCG与Tau纤维的结合构象，阐释两个化学探针的作用方式截然不同，这意味着不同活性的化学探针可以靶向淀粉样纤维上的不同区域，进而用于不同的基础研究和临床应用的设计。

图2. 用于成像和调节蛋白质淀粉样聚集体的探针

在第三部分中，作者关注了靶向蛋白质无定形聚集体的化学探针，介绍了多个探针，如AggStain probe（荧光蛋白发色团）、AggSwitch probe（共价颜色探针）和AggRetina probe（溶剂变色探针）等。总体而言，这些探针与应激细胞中的聚集蛋白质组结合时显示出选择性荧光，并可能为未来基于亲和力的探针提供机会，用于聚合蛋白质组学分析。

图3. 探针对细胞内无定形聚集蛋白质组进行成像

综上，作者在综述中详细阐述了化学探针在探测蛋白质不同凝聚状态方面的关键作用，强调了不同探针与蛋白质凝聚态之间的结合方式和原子结构信息对探针设计的重要性。此外，作者还指出了开发具有特异性的探针对于相关疾病的早期诊断和精准分型具有重要意义。

这项工作得到了国家自然科学基金项目的资助。大连化物所的刘宇研究员和上海交通大学的李丹教授为共同通讯作者。