了解蛋白質(zhì)在細胞中進(jìn)行工作時(shí)如何彎曲、扭曲和變形，對于理解正常的生物學(xué)和疾病非常重要。但由于缺乏有效的蛋白質(zhì)成像方法，對蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)的深入理解通常難以捉摸?，F在，北卡羅來(lái)納大學(xué)醫學(xué)院的科學(xué)家們第一次發(fā)明了一種方法，可以使該領(lǐng)域向前邁進(jìn)一大步。

科學(xué)家們在Cell上的一篇論文中描述了新的“綁定標簽”技術(shù)，它使研究人員能夠精確定位和跟蹤具有所需形狀或“構象”的蛋白質(zhì)，并在活細胞內實(shí)時(shí)進(jìn)行?？茖W(xué)家們基本上在跟蹤重要信號蛋白的活性版本的電影中展示了這項技術(shù)，在這種情況下，這種分子對細胞生長(cháng)很重要。

“沒(méi)有人能夠開(kāi)發(fā)出一種方法，能夠以如此普遍的方式完成這種方法的作用。所以我認為它可能會(huì )產(chǎn)生非常大的影響，”該研究的共同資深作者克勞斯·哈恩博士說(shuō)。 ， Ronald G. Thurman 杰出藥理學(xué)教授，UNC-Olympus 成像中心主任，UNC 醫學(xué)院。

這項工作是 Hahn 的實(shí)驗室與成像分析專(zhuān)家 Timothy Elston 博士實(shí)驗室之間的合作，他是 UNC 醫學(xué)院藥理學(xué)教授和計算醫學(xué)項目的聯(lián)合主任。

拍攝非常小的

與所有生物成像技術(shù)一樣，這種新方法解決了許多在活細胞中工作的分子無(wú)法用普通光學(xué)顯微鏡直接和精確地觀(guān)察到的基本問(wèn)題。在蛋白質(zhì)運作的尺度上，光以巨大的波流動(dòng)，圍繞物體彎曲，無(wú)法清晰地渲染物體。

解決這個(gè)問(wèn)題的一種方法，特別是當蛋白質(zhì)需要在其正常的活細胞棲息地中成像時(shí)，是用熒光信標標記目標蛋白質(zhì)，這樣至少可以用顯微鏡直接看到和捕獲信標的光發(fā)射——例如，繪制特定蛋白質(zhì)在細胞中起作用的位置。一種稱(chēng)為 FRET(福斯特共振能量轉移)的技術(shù)依賴(lài)于奇異的量子效應，將成對的這種信標嵌入目??標蛋白質(zhì)中，這樣它們的光就會(huì )隨著(zhù)蛋白質(zhì)構象的變化而變化。這允許對蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行一些研究，因為它們在細胞內變形。但 FRET 和其他現有方法存在局限性，例如熒光信號較弱，這極大地限制了它們的實(shí)用性。

新的結合標簽方法開(kāi)始于在被研究的蛋白質(zhì)中插入一個(gè)微小的分子“標簽”，并使用一個(gè)單獨的分子，只有當含有標簽的蛋白質(zhì)具有某種形狀或構象時(shí)，才會(huì )與標簽結合，例如當蛋白質(zhì)具有活性以幫助細胞執行特定功能時(shí)。將適當的熒光信標放置在結合劑和/或標簽分子內，研究人員可以有效地對特定感興趣構象的標記蛋白質(zhì)的精確位置進(jìn)行成像，隨著(zhù)時(shí)間的推移。

該方法與范圍廣泛的信標兼容，包括比普通 FRET 所需的交互信標對更有效的信標。Hahn 說(shuō)，Binder-tag 甚至可以更輕松地用于構建 FRET 傳感器。此外，選擇了結合劑標簽分子，因此細胞中的任何東西都不能與它們發(fā)生反應并干擾它們的成像作用。

根據 Hahn 的說(shuō)法，最終結果是一種強大的技術(shù)，原則上可以處理以前無(wú)法實(shí)現的各種蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)研究，包括對僅在細胞中稀疏存在的蛋白質(zhì)的研究。

在Cell論文中，Hahn 及其同事討論了幾個(gè)原理驗證演示。他們使用這種新方法對一種名為 Src 的重要生長(cháng)信號蛋白進(jìn)行成像，以前所未有的細節揭示它如何形成活動(dòng)的小島。反過(guò)來(lái)，這使研究人員能夠分析影響蛋白質(zhì)生物學(xué)作用的因素。

“通過(guò)這種方法，我們可以看到，例如，細胞間的微環(huán)境差異如何影響蛋白質(zhì)的作用，通常是深刻的，”哈恩說(shuō)。

現在，研究人員正在使用該技術(shù)繪制其他重要蛋白質(zhì)的動(dòng)力學(xué)圖譜。他們還進(jìn)行了進(jìn)一步的演示，以展示如何定制綁定標簽以捕獲非常多樣化的蛋白質(zhì)結構和功能的動(dòng)態(tài)，而不僅僅是像 Src 一樣工作的蛋白質(zhì)。

科學(xué)家們設想，binder-tag 最終將成為研究正常蛋白質(zhì)、細胞中更大的多分子結構，甚至與阿爾茨海默氏癥等疾病相關(guān)的功能失調蛋白質(zhì)的基本技術(shù)。

“對于許多與蛋白質(zhì)相關(guān)的疾病，科學(xué)家們一直無(wú)法理解為什么蛋白質(zhì)開(kāi)始做錯事，”哈恩說(shuō)。“目前還沒(méi)有獲得這種理解的工具。”

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