重磅！2023年度MST技术用户案例精选

2024-01-30 14:19:55, NanoTemper 诺坦普科技（北京）有限公司

不知不觉已步入2024年，NanoTemper很荣幸又陪伴用户度过了充实又有意义的一年。2023年NanoTemper的用户使用MST技术发表的文章超过2000篇，其中也有不少文章发表在Cell、Nature、Science三大主刊，非常感谢用户对我们的信任。

MST微量热泳动技术能够弥补传统的互作技术在高样品消耗、小分子检测以及操作繁琐等方面的不足，能够轻松高效地检测各类具有挑战的样品，因而快速地被应用在各种领域。

下面是我们的技术专家们精心挑选的9篇高分文献，为大家解读MST技术是如何在四个不同应用方向助力科学研究的。

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	小分子在进行小分子亲和力检测时，您可能会遇到样品分子量低或与目标蛋白分子量差异大导致检测信噪比低，实验难优化的问题。MST技术检测不依赖于分子量变化，结合引起的电荷或构象改变同样会被灵敏感应到。中国医学科学院 \| 小分子抑制 α-synuclein 聚集帕金森病(PD)的病理表现是α-synuclein的聚集，α-synuclein 被认为是治疗帕金森病的一个潜在靶点。中药天麻中联苯苄型化合物20C，可显著增强PD模型的细胞活力，可能是天麻治疗PD的重要生物活性成分。然而，其作用靶点和作用机制尚不清楚。今年中国医学科学院药物研究所发表在Cell Death and Disease的研究结果发现，小分子20C可抑制α-synuclein 聚集并阻止PD的进展，并且明确了这些改善是来自20C和α-Syn fibrils的直接互作。 α-Syn fiber是由α-Syn单体组装而成的大聚集体，分子量超过420kD，而20C为小分子，二者之间分子量倍数差别在几百倍以上，很难通过基于分子量变化方法进行互作亲和力检测。作者使用MST技术检测了 α-Syn fibrils 与20C的互作（K_d为37μM），证明二者之间存在直接互作。图1. 使用MST测定20C与α-Syn fibrils直接相互作用 https://doi.org/10.1038/s41419-023-06116-0 第二军医大学 \| 黄芪甲苷衍生物治疗梗死后心衰的作用和机制来自第二军医大学以及中国医学科学院药用植物研究所的张卫东团队在Signal Transduction and Targeted Therapy杂志上撰文，报道了黄芪甲苷优化衍生物HHQ16通过直接作用于心肌细胞逆转肥厚，有效地逆转了心肌梗死诱导的心肌重构，并改善了心功能。研究者对一个新发现的人类 lncRNA(Lnc4012) 及其小鼠同源基因(Lnc9456)进行了全面的鉴定，并对lnc4012/lnc9456在心肌梗死诱导的心肌肥大和心力衰竭的发生发展中的作用提供了新的机制见解，并证明lnc4012/lnc9456是一种新的真正的靶点。在研究过程中，研究者通过病理及药理实验确定了lnc9456为HHQ16逆转肥厚和心衰的特异性靶点，并通过MST实验验证了HHQ16与lnc9456具有高亲和力结合，但与抗肥大lncRNA Mhrt无亲和力（图2）。这表明了HHQ16与lnc9456特异性结合，导致其降解的药效机制。图2. MST检测HHQ16与lnc9456（左）及阴性对照（右）亲和力小鼠lnc9456和人lnc4012分子机制具有一致性。HHQ16与lnc4012的亲和力高于其小鼠同源基因lnc9456（图3），并以时间依赖的方式促进体外转录的lnc4012降解。研究者利用MST技术验证了新的小分子HHQ16会与lnc4012/lnc9456特异性结合。而HHQ16与lnc4012/lnc9456的结合会导致其降解，从而拮抗其对心肌细胞G3BP2/NF-κB信号的作用，从而有效地逆转心肌梗死引起的肥厚和心力衰竭。图3. MST检测HHQ16与lnc4012（左）亲和力 https://doi.org/10.1038/s41392-023-01660-9 福建农林大学 \| 细胞膜共受体复合体传递生长素信号的分子机制 2023年11月，福建农林大学徐通达团队和杨贞标团队在Cell期刊在线发表题为 “*ABLs and TMKs are co-receptors for extracellular auxin” 的研究论文，报道了两个新的质外体定位的生长素结合蛋白， ABL1（ABP1-like protein 1）和ABL2，其与生长素结合蛋白ABP1具有相似结构，在细胞膜上形成ABP1/ABLs-TMK生长素共受体感受并传递胞外生长素信号，调控植物生长和发育的分子机制。研究者首先构建了拟南芥ABP1生长素结合位点突变形式的ABP1-5转基因植株，表型分析发现其与tmk突变体类似，呈现明显的生长发育和生长素快速响应缺陷，暗示ABP1-5蛋白可能通过对其他质外体定位的，生长素结合蛋白产生显性负效应，参与TMK介导的生长素信号通路。由于ABP1没有同源基因，为了寻找其他的生长素结合蛋白，研究者通过检索TMK1互作蛋白质组学数据库，鉴定到两个新的生长素结合蛋白，其与ABP1氨基酸序列相似性偏低，但结构类似，且具有高度保守的生长素结合区域，将其命名为ABL1（ABP1-like protein 1）和ABL2。通过生化分析，发现ABL1蛋白定位于质外体，与ABP1类似，研究者提出了科学假设--细胞膜ABLs-TMK蛋白复合体感知并传递胞外生长素信号。表型分析发现：ABL1/2与ABP1的功能具有冗余性，但又有别于ABP1，差异性调控植物的生长发育；ABL1/2与ABP1都通过协同TMK家族，介导生长素的快速响应。作者进一步通过微量热泳动技术（MST）分析发现：与ABP1类似，ABL1和TMK1胞外域都能特异性的结合IAA（图4）和NAA等活性形式的生长素分子。*有趣的是，当TMK1胞外域存在的情况下，ABP1和ABL1对生长素的结合能力显著增强（图4，ABP1:4.71uM、ABP1/TMK1-ex：0.094uM; ABL1: 1.73uM、ABL1/TMK1-ex: 0.525uM），这表明了ABP1/ABLs和TMK在结合生长素方面存在协同作用。图4. MST检测IAA与ABP1, ABL1, TMK1-ex, ABP1-5, and ABL1-M2结合 https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.10.017

	多肽由于多肽较强的极性偏好，使用其他固定性技术进行多肽亲和力检测过程中，常常遇到黏附的问题，并且很难优化解决。MST检测无需固定样品，直接在溶液中进行亲和力检测，可以避免多肽吸附至固相上的问题。北京大学 \| 植物通过有性生殖实现远缘杂交的新机制 2023年10月7日，北京大学生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心、新基石科学实验室瞿礼嘉/钟声团队在Cell上发表了题为“Antagonistic RALF peptides control an intergeneric hybridization barrier on Brassicaceae stigmas”的论文，提出的柱头-花粉间识别的“锁-钥模型”，阐明了柱头处的种间/属间生殖障碍形成的机理，解释了“花粉蒙导效应”。作者研究发现柱头的乳突细胞表面的受体FER/ANJ/HERK1/CVY1与乳突细胞自分泌小肽sRALF33等组分协作构建成"锁"，阻止花粉管穿入柱头。自己的花粉以及近缘植物种的花粉携带的7个旁分泌小肽pRALF11/26等即为"钥匙"，该“钥匙”打开柱头处的"锁"，使得花粉管可以穿入柱头。在研究过程中，作者使用MST技术验证并定量了受体FER/ANJ/HERK1/CVY1与自身分泌的小肽sRALF33以及花粉分泌的小肽pRALF11/26的互作。这也是瞿礼嘉/钟声团队继2017年Science和2022年Science后第三次用MST检测蛋白和多肽的亲和力。在该互作研究中，涉及到3种小肽，共12组的Kd检测，MST检测一对K_d仅需要 200nM 100uL 的蛋白样品，即使进行多组实验，也仅需要非常少量的蛋白样品。MST结果显示，选定的sRALF33、pRALF11或pRALF26分别可以与FER、CVY1、ANJ和HERK1相互作用，并具有高亲和力。图5. sR33、pR11和pR26与FER (E)、CVY1 (F)、ANJ (G)和HERK1 (H)的外结构域具有较高的结合亲和性，而与elf24(阴性对照)的结合亲和性不高 https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.09.003 浙江大学\|蛋白质脂化修饰研究 2023年8月，浙江大学生研院林世贤课题组在 Nature Chemical Biology杂志发表了题为“Computational design and genetic incorporation of lipidation mimics in living cells”的研究成果，报告了一种设计脂化模拟的计算方法。研究团队建立了一个工程系统，用于将这些脂化模拟物整合到大肠杆菌和哺乳动物细胞中几乎任何所需的蛋白质位置。这项研究策略能够实现数百种蛋白质脂化的功能获得研究，促进了卓越治疗候选药物的创造。在该研究中，为了证明基因编码脂质模拟物在设计和合成治疗候选药物中的效用，研究人员使用MST技术检测了人血清白蛋白HSA和脂质模拟改造的多肽药物GLP-1变体之间的相互作用。GLP-1-K20-4HexyF和GLP-1-K20-4OctyF对HSA的Kd值分别为 2.31 μM和0.58 μM，分别比GLP-1-K20-HepoK的15 μM增加了6.5倍和25.9倍。相比之下，野生型(WT) GLP-1未检测到结合，表明增强的结合是由脂质模拟介导的。图6. MST分析多肽药物GLP-1变体对人血清白蛋白HSA的亲和力 https://doi.org/10.1038/s41589-023-01400-8

	免纯化检测亲和力检测一般需要高质量和纯度的蛋白，而一些蛋白本身很难纯化。MST技术可以直接在裂解液中进行亲和力测定，特别适合难纯化，或纯化后不稳定的蛋白样品，为科研人员节省样品和时间。武汉大学中南医院 \| 膀胱癌发生发展机制武汉大学中南医院、武汉大学医学研究院王行环团队此前的研究显示POLD1是膀胱癌恶性转变过程中的一个关键分子。在此基础上，王行环团队证实POLD1在膀胱癌组织中较癌旁组织高表达，在肌层浸润性膀胱癌中较非肌层浸润性膀胱癌高表达，且与预后相关。团队在体内和体外实验中证明了POLD1能够促进膀胱癌的增殖和转移，并在进一步机制研究中发现，POLD1通过与FBXW7竞争性结合MYC，从而减弱FBXW7介导的MYC泛素化降解。此外，机制研究还发现POLD1可以与MYC形成复合物参与MYC的转录调控，增强MYC的转录活性；另一方面，MYC能够转录激活POLD1，从而形成了一个POLD1-MYC正反馈回路，增强了对膀胱癌的促癌作用（图7）。这项研究成果于2023年发表在 Nature Communications 杂志。图7. POLD1通过稳定MYC调节BLCA的增殖和转移，促进膀胱癌发生发展研究人员首先通过CO-IP验证了POLD1与MYC的结合，而当去掉MYC中与FBXW7α结合的区域MB1后，就检测不到结合了。因此研究团队合成了MB1肽段，然后使用MST技术检测了POLD1与MB1肽之间的亲和力，并与 FBXW7α作对比，证明POLD1对MB1的亲和力比FBXW7α强，因此它可以与FBXW7α竞争结合MYC（图8）。在这个实验中，POLD1和FBXW7α 也都是与GFP融合表达在293T细胞，直接使用细胞裂解液作为target进行检测，无需纯化蛋白。图8. MST技术检测293T细胞中过表达GFP-POLD1的裂解物与MYC-MB1 (WT)肽的结合亲和力 https://doi.org/10.1038/s41467-023-38160-x

	核酸您可以使用带有CY5标记的核酸直接在溶液中进行亲和力检测，实验操作简便且检测一对样品仅需10min，无需担心RNA在检测过程中降解。 Scripps研究所 \| 靶向RNA降解剂 2023年5月24日，Scripps研究所的Matthew D. Disney教授及其合作者在Nature杂志发表了题为“Programming inactive RNA-binding small molecules into bioactive degraders”的研究论文，利用核糖核酸酶靶向嵌合体技术将非活性小分子重编程为靶向RNA降解剂，成功降解miR-155和癌症靶标MYC、JUN的RNA。研究人员基于二维组合筛选进行RNA和小分子高通量分子间相互作用检测，发现了一些可以与pre-miRNA-155结合的小分子。研究人员接下来使用Monolith分子互作仪完成了大量RNA小分子结合表征，验证了C1仅结合于5′GAU/3′C_A motif，其他RNA凸起或者点突变RNA在相同检测浓度范围内看不到明显的结合信号。图9. pre-miR-155-binder C1结合曲线小分子结合于pre-miRNA-155的非活性位点，并不会对细胞内的miRNA-155表达水平产生影响。接下来研究人员构建了双功能小分子核糖核酸酶靶向嵌合体，一端与目标RNA结合，另一端招募并激活RNA酶，从而靶向降解目标RNA。改造后的嵌合体成功在细胞内降低miRNA-155的表达水平，并且在细胞和小鼠模型中抑制了三阴乳腺癌。图10. 将结合pre-miR-155的惰性结合物转化为活性RIBOTAC降解剂为了测试该方法的适用性，研究人员又构建了靶向MYC和JUN的核糖核酸酶靶向嵌合体。这两种蛋白都是重要的癌症靶点，但都是无序蛋白，被认为是不可成药的。改造后的核糖核酸酶靶向嵌合体获得了生物活性并在细胞内精准地靶向降解各自的靶向RNA，使这些癌蛋白驱动的转录和蛋白组学进程失效。这项研究表明对于由这些常见但具有挑战性的致癌基因驱动的癌症，重编程非活性小分子为靶向RNA降解剂可能会带来新的变革。 https://doi.org/10.1038/s41586-023-06091-8 北京大学 \| 新型RNA编辑系统开发 2023年北京大学药学院汤新景教授开发出一种新颖且便捷的光触发位点特异性RNA编辑系统，并将研究成果发表在Cell Chemical Biology上。为了开发内源性ADAR蛋白的A-to-I可控的编辑策略，作者设计了一种末端有胆固醇修饰的反义寡核苷酸（3’-笼式arASO）：由一段2’-OMe修饰的可编程反义域、用于与靶mRNA杂交的硫代磷酸修饰的3’端和位于5’端的用于招募ADAR蛋白的工程化GluR2 R/G基序组成，这种设计能通过招募内源性的ADAR蛋白来实现位点特异性的RNA A-to-I编辑。并且，作者通过2D细胞和3D肿瘤球的实验验证了3’-笼式arASO在的光触发A-to-I编辑能力。为了研究3’-笼式arASO抑制位点特异性的机制，作者使用MST技术检测了3’-笼式arASO与蛋白和核酸的互作：ADAR1-p150是主要的RNA单碱基编辑器。MST技术确定了3’-笼式arASO与ADAR1-p150的结合亲和力与arASO与ADAR1-p150蛋白的亲和力接近，表明胆固醇修饰并不会对其在5’端的ADAR-招募结构域造成明显影响。图11. MST技术检测ADAR1-p150与3’-笼式arASO/arASO亲和力 MST技术检测3’-笼式arASO与不配对的腺苷的单链靶RNA（ssRNA）的结合亲和力检测结果表明：3’-笼式arASO在没有光刺激的情况下与ssRNA（A·C错配）的结合亲和力比其阳性对照的结合亲和力低17.4倍，但在给予光照后，其亲和力恢复到与阳性对照组相当的水平（左图）。这表明，在3’-笼式arASO的反义结合域3’端的胆固醇修饰阻断了其与ssRNA（A·C错配）的结合。而胆固醇修饰对arASO与完全配对的ssRNA的结合亲和力没有影响（右图）。图12. 胆固醇修饰阻断了3’-笼式arASO与靶RNA的结合从而抑制其位点特异性编辑 https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2023.05.006 中国农业大学 \| 核受体转录调节的底物选择和活性抑制新机制睾丸核受体4 (TR4)调节基因的转录激活，在许多疾病中发挥重要作用。TR4对靶基因的调控涉及通过DNA结合域(DBD)与DNA分子的直接相互作用。然而，TR4与靶基因之间特异性的相互选择性机制不清楚。2023年中国农业大学陈忠周教授课题组在Nucleic Acids Research在线发表了题为 *Structures of human TR4LBD-JAZF1 and TR4DBD-DNA complexes reveal the molecular basis of transcriptional regulation* 的研究论文，解析了TR4-DBD - DNA复合物的高分辨率晶体结构，并通过MST技术进行了大量的亲和力检测实验，详细阐述了TR4与dsDNA相互作用以及选择性。通过对TR4-DBD - DNA复合物晶体结构分析，第129、138等残基起到结合的关键作用，作者生成了不同的TR4DBD的位点突变体，通过MST实验确定突变后TR4与DNA的亲和力大小（图13）。Y129A、K138A、K142A、R143A和R146A突变对结合的破坏最为明显，其他突变也在不同程度上削弱了二者的互作。图13. MST检测TR4不同突变体与DNA亲和力为了验证TR4的转录调控功能，作者分析了一些下游靶基因的潜在启动子序列，并通过MST实验确定了TR4在每个靶序列上的K_d值。TR4结合了这些靶基因的每个启动子，并且结合亲和力随序列的不同而不同（图14），表明结合亲和力的差异可能与dsDNA结合位点的序列特征有关。图14. MST检测TR4与不同靶序列亲和力晶体结构分析表明，DNA含有两个重复的AGGTCA基序，与两个DBD分子形成异三聚体复合体。为了确定AGGTCA中的最佳基序，作者构建具有相同位点突变的dsDNAs，并进行了MST实验。亲和力结果表明，A1G2G3T4C5A6位点替换G2和T4对结合影响最明显，结合亲和力降低了百倍（图15），说明G2G3T4C5对TR4结合的靶基因至关重要，推断序列PuGGTCA是TR4的最佳目标基序。图15. MST检测不同突变dsDNA和TR4亲和力 https://doi.org/10.1093/nar/gkac1259

	参考文献 1. Peng, Y. et al. A small molecule 20C from Gastrodia elata inhibits α-synuclein aggregation and prevents progression of Parkinson’s disease. Cell Death and Disease 14, (2023). 2. Wan, J. et al. Astragaloside IV derivative HHQ16 ameliorates infarction-induced hypertrophy and heart failure through degradation of lncRNA4012/9456. Signal Transduction and Targeted Therapy 8, (2023). 3. Yu, Y. et al. ABLs and TMKs are co-receptors for extracellular auxin. Cell (2023) doi:https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.10.017. 4. Lan, Z. et al. Antagonistic RALF peptides control an intergeneric hybridization barrier on Brassicaceae stigmas. Cell (2023) doi:https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.09.003. 5. Ding, W. et al. Computational design and genetic incorporation of lipidation mimics in living cells. Nature Chemical Biology 1–10 (2023) doi:https://doi.org/10.1038/s41589-023-01400-8. 6. Wang, Y. et al. DNA polymerase POLD1 promotes proliferation and metastasis of bladder cancer by stabilizing MYC. Nature Communications 14, 2421 (2023). 7. Tong, Y. et al. Programming inactive RNA-binding small molecules into bioactive degraders. Nature 618, 169–179 (2023). 8. Zhang, Y. et al. Light-triggered site-directed RNA editing by endogenous ADAR1 with photolabile guide RNA. PubMed 30, 672-682.e5 (2023). 9. Liu, Y. et al. Structures of human TR4LBD–JAZF1 and TR4DBD–DNA complexes reveal the molecular basis of transcriptional regulation. Nucleic Acids Research 51, 1443–1457 (2023).