哈工大陈西团队Adv. Sci.：偶联纳米抗体型化学光遗传平台

化学诱导二聚化（CID）是基于邻近诱导原理而调控细胞进程的手段，为了实现时空分辨的调控，化学光遗传二聚化（chemo-optogenetic dimerization）利用光响应的化学诱导二聚化分子pCID实现了对细胞进程高时间分辨和高空间分辨的调控。然而，目前已有的化学光遗传工具均具有一定的局限性，如无法直接调控内源蛋白、孵育时间长和需要洗去过量的二聚体才能发挥作用等等。因此，开发更直接、更易于使用的pCID系统具有重要意义。

近日，哈尔滨工业大学陈西（点击查看介绍）团队将偶联纳米抗体临近诱导体系与化学光遗传相融合，开发出偶联纳米抗体型化学光遗传平台——光激活的小分子偶联纳米抗体二聚化系统（PANCID），用于时空分辨调控细胞进程。以PANCID为光调控工具，发现Tiam1和Rac1在信号通路中是“分子振荡器”，能在快速或慢速激活下，调控不同的下游通路，并可以诱发细胞凋亡。该研究相关成果发表于Advanced Science 上，并被遴选为封面论文。

PANCID二聚化分子主要由三部分组成：光笼保护的甲氧苄啶配体、纳米抗体模块以及环十精氨酸细胞跨膜肽cR₁₀^*。受益于纳米抗体的高亲和力、高特异性和结合内源性蛋白的潜力，纳米抗体模块可直接与标签蛋白或内源蛋白结合，进而使该二聚化体系具有比经典pCID工具更优越的特征。而cR₁₀^*环状跨膜肽可以促进快速的胞内递送，使得PANCID像小分子一样可轻松穿膜。此外，纳米抗体模块可以很容易地被更换，展示了PANCID的模组化特征，使之具有更广泛的应用潜力。

图1. PANCID系统的组成（a-b）、作用机制（c）以及生化表征（d-e）

首先，作者以绿色荧光蛋白纳米抗体GBP作为纳米抗体模块，构建一个通用型PANCID分子——cRGTN。光激活后，cRGTN迅速诱导EGFP定位到线粒体，展示了PANCID工具快速诱导靶蛋白二聚化的能力。此外，作者还制备了cRRTN、cRSPN光二聚化分子，分别可以调控mCherry红色荧光蛋白或SpyCatcher所融合的蛋白，显示了PANCID体系模组化特征。

图2. PANCID分子cRGTN诱导EGFP迅速定位到线粒体（a-b）及分析（c-d）

T-淋巴瘤侵袭和转移诱导因子-1（Tiam1）是Rac1的直接上游因子，它激活Rac1并导致细胞中片状伪足的产生。此外，Tiam1还可以激活Rac1以外的其它因子而导致下游不同的细胞事件，例如细胞存活和凋亡。因此，Tiam1和Rac1的各种不同生物学功能是如何切换的尚不清楚。

为此，作者使用PANCID系统分别瞬时调控Tiam1-Rac1信号通路中的Rac1和Tiam1蛋白，并与基于CID的慢调控结果相比较，发现Rac1和Tiam1的缓慢或快速激活会产生不同的细胞响应。Tiam1和Rac1的缓慢激活会促进细胞面积的增加和片状伪足的产生。Rac1的快速激活会导致细胞膜皱褶的形成，而Tiam1的快速激活却会迅速导致细胞凋亡，并伴随caspase-3的活化。

图3. Rac1快速激活产生细胞膜褶皱（a-d），Tiam1快速激活会迅速导致细胞凋亡并激活caspase-3（e-h），Tiam1和Rac1的快慢激活会导致不同的下游反应（i） 

综上所述，本研究介绍了光激活的小分子偶联纳米抗体二聚化系统PANCID，用于信号级联的化学光遗传控制。PANCID可以在几秒钟的时间尺度内实现对蛋白质定位的精确亚细胞控制，这将对研究需要精确时间控制的细胞信号事件产生巨大帮助。PANCID系统的模块化和快速调控能力，其成为了对pCID工具箱的一个有价值的重要补充。

陈西课题组的博士生周成健为论文第一作者。陈西研究员为论文通讯作者，哈尔滨工业大学是论文通讯单位。该研究获国家自然科学基金、黑龙江省自然科学基金、哈工大“双一流”经费等项目的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Photoactivatable Nanobody Conjugate Dimerizer Temporally Resolves Tiam1-Rac1 Signaling Axis

Chengjian Zhou, Huiping He, Xi Chen*

Adv. Sci., 2024. DOI: 10.1002/advs.202307549

导师介绍

陈西

https://www.x-mol.com/university/faculty/211019 

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