麦克米伦阐明了微观环境，创造了一条治疗癌症药物的新途径

两年前，普林斯顿催化计划(Princeton catalyst Initiative)的合作伙伴与大卫·麦克米伦(David MacMillan)坐下来讨论时，他们向麦克米伦提出了一个生物学挑战，这是潜在癌症药物和其他疗法的核心问题:细胞表面的哪些蛋白质相互接触?

他们想要的是一种类似于探照灯照射进黑暗洞穴的东西——一种能将隐喻性的光照射到蛋白质及其细胞膜上最近的邻居上的东西。大而复杂的分子、蛋白质是生命的组成部分，是我们周围一切事物的支点——我们思考的方式、我们成长的方式、我们患的疾病。蛋白质能够通过向它们的邻居发送信息来确定这一点。但是，虽然科学家们以前能分辨出谁在洞穴里，但他们不能分辨出谁站在谁旁边，因此缺乏有关这些基本的蛋白质间通讯的重要知识。

化学系的麦克米伦小组在最新一期的《科学》杂志上宣布，他们已经开发出了这种探照灯。

麦克米伦集团的新技术在行动:这些图像显示细胞被贴上,或用绿色突出显示,由µMap催化剂。

Images by Tamara Reyes-Robles

突破技术,名为µMap由普林斯顿大学的研究团队和默克公司的科学家,利用光催化剂——一个分子,当激活光,热刺的化学反应——识别空间关系在细胞表面。该催化剂产生一个标记，标记蛋白质和它们的分子邻居，从而使它们的微环境的精确映射成为可能。          

这项技术可能会影响蛋白质组学、基因组学和神经科学等几个比较明显的领域。但基础生物学的应用如此广泛，以至于普林斯顿大学(Princeton)著名的化学教授詹姆斯s麦克唐奈(James S. McDonnell)渴望让这项技术“进入每个人的手中”，看看其他领域的科学家能想出什么。

“就我们目前拥有的技术而言，问题不在于你能否给东西贴上标签，”他说。“问题是，你可以给成千上万的东西贴上标签，但你却分不清那一边是什么，隔壁是什么。这是非常非常重要的，因为相互传递信号的分子、蛋白质或酶通常紧挨着彼此。最先进的技术并不能告诉你什么是接近的。”

所以他们想出了一个激进的新方法。

麦克米伦说:“我们做了一些关键的实验，很快我们就能证明，我们在很短的距离内就能标记出物体。”“我们现在确切地知道附近有什么。这是前所未有的。对生物学来说，这就像打开电灯开关，突然看到一切一样。”

默克探索性科学中心(MESC)的科学家Rob Oslund和Olugbeminiyi Fadeyi是这篇论文的共同作者，他们住在马萨诸塞州的剑桥，他们说这项技术可以激发生物学的巨大新发展。“考虑到蛋白质在细胞微环境中相互作用的重要作用，”Oslund说，“这项技术有潜力成为改变游戏规则的工具，用于世界各地的学术和工业生命科学实验室。”

明显micro-mapµMap,标识的邻居在一个半径为1到10纳米围绕一个特定的蛋白质。(作为参考，一根人的头发直径约为10万纳米。)在这个水平上的分辨率确定了10或15个最接近的分子。

雅各布·格雷默克催化中心的博士后研究员普林斯顿大学和co-first-author科学论文和研究生詹姆斯•奥克利制科学家Tamara Reyes-Robles说µMap通过使用蓝色光催化反应。

它是这样工作的:催化剂——在这个例子中，是一种有机金属化合物——被选择性地附着在细胞表面大约40000种蛋白质中的任何一种上，在那里它充当一种天线。蓝色的光，有一个非常高的光子能量，作为触发器。当照射到细胞上时，这种蓝光被天线接收，天线将其光能转换成化学能。潜在能量不会冷却;它不会扩散;它不会漫无目的地在细胞膜上徘徊，画出它遇到的所有东西。只是坐着。

根据40年前发表的一篇论文，麦克米伦的团队提出了使用一种叫做重氮嗪的有机分子的想法，这种分子特别容易吸收这种潜在的能量。当重氮嗪非常接近催化剂时(在0.1纳米以内)，化学能转移到重氮嗪上。接着，重氮嗪反应剧烈，释放出一种副产品，成为所谓的“卡宾”，一种“愤怒”的物质，附着在邻近的蛋白质上。

Geri解释说:“催化剂传递的能量如此之大，以至于分子会自我分裂，暴露出一个极不稳定的碳原子，然后它就会附着在任何它能附着的东西上。”

催化剂可以多次进行这种化学反应，所以对所有定域的分子、蛋白质和酶来说，这个过程都是重复的。由于卡宾是如此短暂——只有几纳秒——它们的反应提供了所有相邻分子的生动、实时快照。随后，研究人员就可以拼出一幅精确的微环境地图——这正是科学家们一直在寻找的技术。

Geri说:“疾病的许多机制是通过这些细胞之间的相互交流发生的，它们只有在接触时才能交流。”“这就是细胞表面如此重要的原因。如果他们接触，他们可以交流。”

他补充道:“我们现在可以弄清楚是什么让这种交流发生了，或者是什么让这种交流发生了改变。”在这个项目上工作真的是一种很棒的经历。”

麦克米伦的小组选择了两类人类细胞进行研究。一个是类已知的蛋白质相互作用,选择作为一种对照组证明他们可以被µMap的交互。第二组“更有趣”，Geri说。它以一种叫做PD-L1和PD-1的蛋白质为中心，这两种蛋白质与人体的免疫系统及其对癌细胞的反应有关。

正常情况下，像癌细胞这样的病细胞会以分子入侵者的形式出现，需要被免疫系统清除。但麦克米伦说，癌细胞具有欺骗性。它们通过一个涉及PD-L1和PD-1轴的隐身机制发出“不要杀我”的信号。由于癌症治疗的成功部分取决于其阻断信号的能力，科学家们想知道更多关于这种信号是如何传播的。映射精确的邻域是一个重要的早期步骤。当研究人员把µMap催化剂PD-L1 PD-1,分子标记在他们的微环境。蛋白质与蛋白质之间的相互作用以前被认为是可以直接观察到的。我们发现了一些以前从未想到过的关联。

Rob Oslund Olugbeminiyi Fadeyi(左)和默克的探索性科学中心合作开发µMap。

Photo by Merck & Co.

“现在，我们不做癌症生物学，”麦克米伦说。“但我们发明了这个工具，可以给你提供很多关于这些癌细胞的信息。我们认为，通过利用这些信息，你可以开始以这些蛋白质为目标，作为一种清除干扰信号的方法。如果你能消除这些信号，你的免疫系统就能更好地追踪癌细胞。”

麦克米伦刚到普林斯顿不久，就开始研究如何利用蓝色LED光来完成以前不可能完成的化学壮举。默克公司于2006年参与其中，为麦克米伦的研究提供了一笔种子捐款。此后，该公司捐赠了更多资金，并于2019年宣布了一项为期10年的普林斯顿催化计划(Princeton catalyst Initiative)资助承诺。该计划旨在促进跨学科合作，以加速发现新的研究领域。

默克公司的Fadeyi说:“我们的合作创造了一种新的细胞化学方法，利用光氧化还原催化激活重氮嗪，一种重要的有机分子，以一种时间控制的方式。”“由于重氮杂环胺在化学生物学和生物学中的常规应用，这种方法不仅在蛋白质标记方面，而且在识别其他生物分子的结合靶点以阐明其功能作用方面都有很高的需求。”

他补充道:“这次合作之所以成功，是因为默克公司的科学家和戴夫的实验室密切合作。”

麦克米伦同样称赞这一发现证明了学术和工业领域合作的价值，就像普林斯顿催化计划(Princeton Catalysis Initiative)在2018年首次出现时所设想的那样。

“作为化学家，我们在生物学上不知道任何好的问题——零，”他说。“所以，你要找的是那些对生物学了如指掌的人，他们面临着他们想要解决的问题。这对一个化学小组来说是个大问题。与此同时，这不是一个化学小组会考虑的问题，因为他们不懂生物学。你有这两个不同的领域，你把它们放在一起，你开始意识到所有这些伟大的事情，你可以做。

“这就是我喜欢科学中的社会科学的地方，”他补充道。“这绝对是一个美丽的例子，说明了一个村庄是如何解决一个问题的。”

纸”,微环境映射通过Dexter能量转移的免疫细胞,”雅各布•b .盖瑞,詹姆斯诉奥克利,塔玛拉Reyes-Robles,王涛,斯蒂芬j . McCarver科里·h·白,弗朗西斯·Rodriguez-Rivera丹·l·帕克,埃里克·c·Hett Olugbeminiyi o . Fadeyi罗布·c·Oslund和大卫·w·c·麦克米伦出现在3月6日出版的《科学》杂志(DOI: 10.1126 / science.aay4106)。这项研究得到了默克公司的支持。美国国立卫生研究院(NIH)国家普通医学科学研究所，以及美国国立卫生研究院J.B. Geri博士后奖学金。