家族性的早發(fā)型阿爾茲海默癥與β淀粉樣(Aβ)多肽單氨基酸突變相關(guān)，精準(zhǔn)識別單點(diǎn)突變Aβ多肽對于認(rèn)識阿爾茲海默癥及其致病機(jī)制具有重要意義。納米孔道具有獨(dú)特的納米限域效應(yīng)與豐富的分子傳感位點(diǎn)，是一種典型的高靈敏、高分辨、高通量的單分子電化學(xué)傳感器，近年來在核酸、多肽及蛋白質(zhì)等生物分子高精度測量方面取得了迅速的發(fā)展。長期以來，納米孔道檢測主要是通過單分子事件的阻斷電流、阻斷時(shí)間兩種特征解析分析物特性，僅通過這兩種信號特征信息難以滿足準(zhǔn)確表征電性、分子量以及結(jié)構(gòu)特性等相近的多肽單氨基酸突變體的研究需求。
南京大學(xué)龍億濤教授團(tuán)隊(duì)長期圍繞單分子水平Aβ多肽的亞穩(wěn)態(tài)中間體結(jié)構(gòu)測量及寡聚體動(dòng)態(tài)聚集過程實(shí)時(shí)檢測等研究，深入發(fā)展了納米孔道限域離子流傳感增強(qiáng)機(jī)制，建立了納米孔道-分析物相互作用電流模型，提出了納米孔道單分子指紋頻率譜學(xué)分析新方法（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 24582）。近日，在前期研究基礎(chǔ)上，提出了一種表征納米孔道電流噪音特征的參數(shù)—阻斷電流標(biāo)準(zhǔn)偏差（σb）—作為第三種阻斷電流特征描述。利用“噪音”中蘊(yùn)含的信息差異提供新的數(shù)據(jù)分析維度，進(jìn)一步科學(xué)量化了待測物的特征, 提升了納米孔道傳感性能，實(shí)現(xiàn)了混合體系中3種家族性Aβ多肽單點(diǎn)突變體與未突變多肽的同時(shí)分辨。
圖1. 定量描述阻斷電流標(biāo)準(zhǔn)偏差（σb）的納米孔道檢測 在T232K/K238Q aerolysin納米孔道檢測野生型（WT）與A22G突變型Aβ18-26多肽的阻斷電流信號時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩者的阻斷電流、阻斷時(shí)間特征分布極其相似難以實(shí)現(xiàn)區(qū)分。當(dāng)將σb與阻斷電流程度（Ib/I0）和/或阻斷時(shí)間（tD）兩種常規(guī)參數(shù)相結(jié)合時(shí)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)分類可得，識別準(zhǔn)確率可達(dá)87%，與兩種常規(guī)參數(shù)組合相比錯(cuò)誤識別率降低了約1倍。在Ib/I0- log(tD)-σb三維特征數(shù)據(jù)圖上，準(zhǔn)確定位了兩種多肽突變體單分子事件的分布。進(jìn)而, 通過σb直方圖獲取單位時(shí)間內(nèi)混合物中WT與A21G Aβ18-26阻斷事件的占比, 可快速定量家族性Aβ多肽單點(diǎn)突變體。 圖2. 基于阻斷電流標(biāo)準(zhǔn)偏差(σb)定量混合體系中WT 與 A21G Aβ18-26多肽 最后，作者根據(jù)σb的分析物依賴性這一特點(diǎn)，與Ib/I0、tD結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了A21G、E22Q、E22G突變型以及WT Aβ18-26 4種多肽的在混合體系中的直接分辨。本文提出的描述電流阻斷幅值、時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)偏差的三維特征圖譜策略，為復(fù)雜混合物體系中Aβ多肽單點(diǎn)突變體的精準(zhǔn)識別提供了一種新思路, 可推廣應(yīng)用于其他家族性疾病相關(guān)氨基酸突變多肽標(biāo)志物的檢測和研究。 圖3. 家族性Aβ多肽單點(diǎn)突變體 (A21G、E22Q和E22G)基于三維特征圖譜的同時(shí)檢測。 論文信息 3D Blockage Mapping for Identifying Familial Point Mutations in Single Amyloid-β Peptides with a Nanopore Kai-Li Xin, Dr. Zheng-Li Hu, Dr. Shao-Chuang Liu, Xin-Yi Li, Jun-Ge Li, Hongyan Niu, Prof. Yi-Lun Ying, and Prof. Yi-Tao Long 南京大學(xué)化學(xué)專業(yè)博士研究生辛凱莉?yàn)檎撐牡牡谝蛔髡?，胡正利博士和龍億濤教授為論文的通訊作者 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202209970
