[論文レビュー] A new twist on PIFE: photoisomerisation-related fluorescence enhancement

Evelyn Ploetz, Benjamin Ambrose+13 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2023

Photochromic and Fluorescence ChemistryMaterials Science参考文献 113被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、PIFE（タンパク質誘導蛍光増強）を、その根本的なメカニズムを反映させるために「光異性体化関連蛍光増強」に改名することを提案する。このメカニズムは、バイオマoleculeの結合に伴うシアンイン蛍光体のcis/trans光異性体化挙動の変化によって、蛍光が制御されることに起因する。著者らは、このメカニズムがバイオマolecule間相互作用に広く適用可能であることを確立し、コンformational変化、タンパク質-リガンド相互作用、タンパク質-タンパク質相互作用を高感度で定量的・ラベルフリーに検出可能であることを示している。

ABSTRACT

PIFE was first used as an acronym for protein-induced fluorescence enhancement, which refers to the increase in fluorescence observed upon the interaction of a fluorophore, such as a cyanine, with a protein. This fluorescence enhancement is due to changes in the rate of cis/trans photoisomerisation. It is clear now that this mechanism is generally applicable to interactions with any biomolecule and, in this review, we propose that PIFE is thereby renamed according to its fundamental working principle as photoisomerisation-related fluorescence enhancement, keeping the PIFE acronym intact. We discuss the photochemistry of cyanine fluorophores, the mechanism of PIFE, its advantages and limitations, and recent approaches to turn PIFE into a quantitative assay. We provide an overview of its current applications to different biomolecules and discuss potential future uses, including the study of protein-protein interactions, protein-ligand interactions and conformational changes in biomolecules.

研究の動機と目的

• 初期の生物学的文脈ではなく、その背後にある光化学的メカニズムに基づいてPIFEを再定式化すること。
• シアンイン染料における蛍光増強が、バイオマoleculeへの結合に伴う光異性体化速度の変化に起因することを確立すること。
• PIFEをタンパク質にとどまらず、他の biomolecular 相互作用を研究するための定量的アッセイとして推進すること。
• PIFEの適用範囲をタンパク質-リガンド相互作用、タンパク質-タンパク質相互作用、およびコンformational変化の研究に拡大すること。
• 多様なバイオマoleculeシステムにおける蛍光増強の統一的メカニズム枠組みを提供すること。

提案手法

• 特にcis/trans異性体化ダイナミクスに注目したシアンイン蛍光体の光化学的挙動の分析。
• バイオマoleculeへの結合に伴う異性体化速度の変化と、測定可能な蛍光増強との関連の確立。
• リアルタイムでの蛍光増強を定量するための単分子蛍光技術の使用。
• 核酸やタンパク質複合体を含む多様なバイオマoleculeシステムへのPIFEメカニズムの適用。
• 異性体化速度の関数として蛍光増強をモデル化する理論的枠組みの構築。
• 複数の実験系においてメカニズムを検証し、一般性を確認すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バイオマoleculeの結合が、シアンイン蛍光体の光異性体化ダイナミクスにどのように影響を与えるか。
• RQ2 PIFEにおける蛍光増強は、タンパク質相互作用を越えて普遍的に適用可能か。
• RQ3 PIFEは、タンパク質特異的効果ではなく、異性体化速度の変化に基づいて定量的にモデル化可能か。
• RQ4 PIFEがバイオマoleculeのコンformational変化を検出する際の限界と感度は何か。
• RQ5 PIFEはタンパク質-リガンドおよびタンパク質-タンパク質相互作用の研究にどのように適合可能か。

主な発見

• PIFEにおける蛍光増強は、静的クエンチングや環境変化によるものではなく、cis/trans光異性体化速度の低下に起因する。
• このメカニズムは、タンパク質だけでなく、核酸やその他のバイオマoleculeに対しても普遍的に適用可能である。
• 異性体化の速度パラメータを用いることで、PIFEを動的パラメータに基づいて定量的にモデル化可能であり、予測的応用が可能である。
• この手法により、単分子感度でバイオマoleculeのコンformational変化をリアルタイムで検出可能である。
• 結合に伴う動的変化に敏感であるため、PIFEはタンパク質-リガンドおよびタンパク質-タンパク質相互作用の研究に有効である。
• PIFEを「光異性体化関連蛍光増強」に再分類することで、より正確で普遍的なメカニズム的基盤が得られる。