Split-HaloTag：细胞生理活动精准记录的新方案
Split-HaloTag：细胞生理活动精准记录的新方案
基于HaloTag改进的工具层出不穷，其中split-HaloTag系统打开了一扇通向新型化学标记方法的大门，它可以将细胞生理学与特定生物学表型联系起来。这一创新系统极具发展潜力，亟需进一步优化以拓展其在生物学研究领域的广泛应用。
split-HaloTag系统：细胞生理活动记录的新突破
由于光学显微镜分辨率的限制，直接观测细胞中的蛋白质活动轨迹一直面临挑战。split-HaloTag系统在HaloTag基础上实现了多时间点连续记录，拓展了传统HaloTag工具的应用范围和性能，使其在捕捉蛋白质相互作用和细胞活动中表现优异，为细胞信号传导过程的可视化提供了新的解决方案。
图1 基于HaloTag工具的设计策略及其应用
细胞生理事件分为长时和瞬时，共同构成了细胞复杂的生理活动，这对于维持细胞的正常功能和响应外部环境变化至关重要。然而，当前检测细胞瞬时生理活动的方法受到时间和空间分辨率的限制，无法实时记录大量细胞的活动。最近在Science上发表的研究介绍了一种蛋白质记录仪——split-HaloTag，该系统是通过将HaloTag蛋白分割成一个折叠但无活性的片段（cpHaloΔ）和一个小肽（Hpep），然后分别将cpHaloΔ和Hpep与两个感兴趣的蛋白质融合。当这两个蛋白质发生相互作用时，cpHaloΔ和Hpep被拉近，HaloTag被重新构型为有活性的形式，通过添加荧光底物监测它们的相互作用。
HaloTag技术的发展历程
HaloTag作为广泛应用的自标记蛋白质标签之一，由Promega于2008年开发。它源自一种改性的卤代烷烃脱卤酶，这种酶经过改造后能够与氯代烷烃连接的荧光团形成特异性的共价结合。HaloTag可以与目标蛋白融合后与荧光底物结合，使其成为可视化活细胞中蛋白质的理想选择。自HaloTag技术问世以来，已成功开发出多种基于该技术的创新工具，从而拓展了其在生物学研究中的应用范围，并显著提升了标记效率。Shikawa等基于海肾荧光素酶 (Renilla luciferase, RL)与HaloTag蛋白结构的相似性，选择与RL中表现良好的分裂点相对应的HaloTag中的位点，筛选出了基于HaloTag的潜在分裂位点。在此基础上，Meinen等将HaloTag蛋白分割成两个独立的片段，即N末端片段（NHalo，1-155aa）和C末端片段（CHalo，156-298aa）。这两个片段在蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）发生时能够重新组装成完整的功能性HaloTag。
split-HaloTag系统的创新机制
该研究中split-HaloTag是对HaloTag蛋白进行改造后的新工具。**它将HaloTag分成两个独立的部分，一部分是在HaloTag蛋白的141-144位和155-156位氨基酸之间进行截短后得到cpHalo∆。cpHalo∆保留了HaloTag的整体折叠结构，但几乎没有活性。另一部分是具有不同亲和力的小肽Hpep（145-154aa），它们可以与cpHalo∆结合，从而恢复cpHalo∆活性。**在split-HaloTag系统中，cpHaloΔ和Hpep的结合是可逆的，与Meinen等分裂的HaloTag相比，这种可逆的结合特性使得split-HaloTag系统能够灵活地用于记录和检测不同的蛋白质相互作用事件。通过将cpHalo∆，Hpep分别与细胞内不同蛋白的特定区域融合，能够记录G蛋白偶联受体激活和细胞内钙增加等生物活动。这种新的化学标记方法通过特定的细胞活动和荧光底物的结合来实现对细胞的瞬态生理事件的记录。
应用前景与展望
基于HaloTag的设计策略推动了生物成像技术的发展，特别是在荧光标记领域，在复杂的生物系统和医学应用发挥重要作用。split-HaloTag系统在疾病的医学评估和诊断方面有较好的应用潜力，例如，作为肿瘤细胞识别和确定肿瘤浸润边界的辅助依据。未来可以将HaloTag作为桥梁，开发与其特异性结合的功能性荧光配体材料，实现蛋白质互作快速响应过程的可逆性记录，为细胞信号转导研究提供新的方法。
这项研究开发了一种基于split-HaloTag的化学标记系统，用于记录细胞的瞬态生理事件。该工作为神经科学、细胞生物学和肿瘤学等领域提供了新的研究工具，有望推动细胞生理和病理过程的研究。其多周期记录能力和跨物种适用性为复杂生物过程的解析提供了更广阔的应用前景。
本文原文来自The Innovation姊妹刊The Innovation Life第3卷第2期发表的Commentary文章"Innovation of self-labeling protein tags: Engineering HaloTag for recording living cell physiology"。