[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出将 PIFE（蛋白质诱导荧光增强）更名为与光异构化相关的荧光增强，以反映其基本机制：通过生物分子结合引起的花青素荧光染料顺反光异构化动力学变化来调节其荧光。作者证实该机制广泛适用于各类生物分子相互作用，实现了对构象变化、蛋白质-配体及蛋白质-蛋白质相互作用的高灵敏度、定量、无标记检测。

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.

研究动机与目标

• 基于其基本光化学机制而非最初生物学背景重新定义 PIFE。
• 确立花青素染料荧光增强源于生物分子结合后异构化速率的变化。
• 推动 PIFE 作为一种定量检测方法，用于研究蛋白质以外的生物分子相互作用。
• 拓展 PIFE 在蛋白质-配体、蛋白质-蛋白质以及构象变化研究中的应用范围。
• 为多样化生物分子体系中的荧光增强提供统一的机制框架。

提出的方法

• 分析花青素荧光染料的光化学性质，特别是其顺反异构化动力学。
• 将异构化速率的变化与结合生物分子后可观测的荧光增强联系起来。
• 利用单分子荧光技术实时定量荧光增强。
• 将 PIFE 机制应用于包括核酸和蛋白质复合物在内的多种生物分子体系。
• 建立理论框架，将荧光增强建模为异构化动力学的函数。
• 在多个实验体系中验证该机制，以确认其普适性。

实验结果

研究问题

• RQ1 生物分子结合在多大程度上调节花青素荧光染料的光异构化动力学？
• RQ2 PFE 中的荧光增强在多大程度上可普遍适用于蛋白质以外的相互作用？
• RQ3 能否基于异构化速率变化而非蛋白质特异性效应对 PIFE 进行定量建模？
• RQ4 PFE 在检测生物分子构象变化方面的极限和灵敏度如何？
• RQ5 如何将 PFE 适配用于研究蛋白质-配体和蛋白质-蛋白质相互作用？

主要发现

• PFE 中的荧光增强源于结合后顺反光异构化速率降低，而非静态猝灭或环境变化。
• 该机制具有普适性，适用于蛋白质、核酸及其他生物分子的相互作用，而不仅限于蛋白质。
• 可通过异构化动力学的速率常数参数对 PFE 进行定量建模，实现预测性应用。
• 该方法可实现对生物分子构象变化的实时检测，具有单分子灵敏度。
• 由于对结合诱导的动力学变化敏感，PFE 适用于研究蛋白质-配体和蛋白质-蛋白质相互作用。
• 将 PFE 重新分类为与光异构化相关的荧光增强，提供了更准确且广泛适用的机制基础。