陶農(nóng)建教授Nature子刊活細(xì)胞蛋白質(zhì)分析新技術(shù)
日期：2012-08-30 07:58:33
裝飾人類細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)執(zhí)行著一系列的基本功能，包括細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)、通訊以及將重要物質(zhì)運(yùn)輸進(jìn)出細(xì)胞。它們是藥物遞送極其重要的靶點(diǎn)，許多的蛋白現(xiàn)在被確定為疾病的生物標(biāo)記物，作為癌癥和其他疾病癥狀出現(xiàn)前的預(yù)警指示標(biāo)。
盡管研究膜蛋白的結(jié)合特性是必要的，但想媳婦恩熙這些復(fù)雜的實(shí)體卻是非常棘手的。現(xiàn)在來(lái)自美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)生物設(shè)計(jì)研究院生物電子學(xué)和生物傳感器中心主任、電子工程學(xué)教授陶農(nóng)建開(kāi)發(fā)了一種新技術(shù)可用于檢測(cè)膜蛋白的結(jié)合動(dòng)力學(xué)。
陶農(nóng)建表示：“這是一個(gè)非常重要但又很難解決的問(wèn)題。我們證實(shí)一種新方法可解決這一問(wèn)題，提供了對(duì)細(xì)胞表面上蛋白質(zhì)互作的定量分析。”
這一稱作SPR顯微鏡的技術(shù)有可能簡(jiǎn)化膜蛋白研究，從而線性化新藥的開(kāi)發(fā)，協(xié)助鑒別診斷標(biāo)記物，促進(jìn)對(duì)于細(xì)胞-病原體相互作用的理解。
該研究小組的研究結(jié)果發(fā)表在本周的《自然化學(xué)》（Nature Chemistry.）網(wǎng)絡(luò)版上。
一般情況下，附著或嵌入細(xì)胞膜脂質(zhì)雙分子層的蛋白質(zhì)或是采用熒光標(biāo)記物標(biāo)記，或是從所在位置抽提、純化出它們，并固定到蛋白質(zhì)芯片的玻璃表面上。這些努力或許都不能準(zhǔn)確反映天然的構(gòu)象和功能。
膜蛋白的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它的精細(xì)性能往往與構(gòu)象改變以及運(yùn)作時(shí)特殊的結(jié)合動(dòng)力學(xué)有關(guān)。現(xiàn)有采用熒光標(biāo)記物的技術(shù)已被應(yīng)用于精確定點(diǎn)結(jié)合事件，但這些只能允許在蛋白質(zhì)結(jié)合前后可視化蛋白質(zhì)，而遺漏了隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)過(guò)程演變。此外，利用熒光標(biāo)記來(lái)標(biāo)記蛋白質(zhì)分子可能會(huì)干擾研究人員希望觀察的過(guò)程。
其他的，抽提、純化并將蛋白質(zhì)附著到微陣列芯片上——這一從蛋白質(zhì)天然環(huán)境中移動(dòng)它們的勞動(dòng)密集型過(guò)程，有可能會(huì)影響它們?cè)蛔匀怀尸F(xiàn)的形狀或改變蛋白質(zhì)的功能。
在當(dāng)前的研究中，一種無(wú)標(biāo)記成像技術(shù)原位應(yīng)用于膜蛋白，采用一種稱為表面等離子諧振 ( Surface Plasmon Resonance,SPR )的特性來(lái)可視化膜蛋白。當(dāng)偏振光碰撞覆蓋薄金屬黃金膜的載玻片表面時(shí)就會(huì)發(fā)生這一效應(yīng)。在適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)、偏振和入射角條件下，金屬膜中的自由電子吸收入射光子，將它們轉(zhuǎn)換為等離子波，就像波在水中一樣傳送。
當(dāng)包括膜蛋白在內(nèi)納米級(jí)現(xiàn)象相互作用并破壞等離子波時(shí)，它們引起了可測(cè)量的光反射率改變，新的顯微鏡方法可將其轉(zhuǎn)換為圖像。
表面等離子諧振過(guò)去被用于抽提蛋白質(zhì)研究結(jié)合動(dòng)態(tài)，可是陶農(nóng)建解釋說(shuō)這需要許多的步驟，且蛋白質(zhì)有可能喪失它們特有的構(gòu)象特征。對(duì)于通常嵌入在細(xì)胞膜脂類基質(zhì)中的蛋白質(zhì)尤其是如此。
研究膜蛋白另一個(gè)重要的考慮因素就是它們會(huì)跨過(guò)膜表面混雜排列，在各種細(xì)胞活動(dòng)中改變它們的分布。這種行為在稱作趨化作用的過(guò)程中尤其重要，這時(shí)細(xì)胞是在周圍環(huán)境化學(xué)物質(zhì)影響下指導(dǎo)它們的運(yùn)動(dòng)。出于這一原因，允許實(shí)時(shí)從空間和時(shí)間上研究膜蛋白分布的工具是非常合乎需要的。
陶農(nóng)建的方法采用表面等離子諧振提供高分辨率的空間和時(shí)間信息，也允許同時(shí)光學(xué)和熒光觀察樣本，結(jié)合了標(biāo)記和飛鏢機(jī)方法兩者的優(yōu)點(diǎn)。
高分辨率證實(shí)對(duì)觀察偏振膜蛋白自我重排的方式尤其有用。這一現(xiàn)象協(xié)助了周圍化學(xué)物質(zhì)指導(dǎo)的細(xì)胞遷移，還在免疫識(shí)別過(guò)程中起重要作用。采用SPR顯微鏡，利用一種趨化劑誘導(dǎo)細(xì)胞遷移，趨化作用過(guò)程中單細(xì)胞膜蛋白的空間分布首次被詳細(xì)繪制。
研究的細(xì)胞直接在黃金覆蓋的玻片上培育，可同時(shí)經(jīng)受明視野、熒光和SPR成像。包含結(jié)合配體的液體隨后用在細(xì)胞上，用SPR監(jiān)控與細(xì)胞表面蛋白的結(jié)合事件。
這一技術(shù)允許對(duì)毫秒分辨短暫事件，亞微米級(jí)分析空間分布。在當(dāng)前的研究中，該方法檢測(cè)了膜糖蛋白與凝集素配體的結(jié)合，膜受體分子的空間分布，以及膜蛋白偏振和再分布事件。
新方法的多用途使得可以光學(xué)、熒光和SPR模式同時(shí)成像，保證在天然狀態(tài)下顯著擴(kuò)展膜蛋白研究，提高對(duì)蛋白結(jié)合動(dòng)力學(xué)的認(rèn)識(shí)，加速靶向膜蛋白藥物的開(kāi)發(fā)。
陶農(nóng)建強(qiáng)調(diào)這一技術(shù)更密切接近體內(nèi)條件，提供了有用的窗口進(jìn)入與健康和疾病相關(guān)的生物學(xué)過(guò)程。“來(lái)自人類不同組織的細(xì)胞是不同的，但至少我們能夠從一個(gè)載玻片表面系統(tǒng)移動(dòng)到真實(shí)的細(xì)胞表面。”
