揭示強大的新技術允許研究蛋白在細胞內如何改變形狀

　　了解蛋白在細胞中工作時是如何彎曲、扭曲和改變形狀的，對于理解正常的生物學和疾病有極大的重要性。但是，由于缺乏良好的蛋白工作成像方法，對蛋白動力學的深入理解通常是難以捉摸的。如今，在一項新的研究中，來自美國北卡羅來納大學教堂山分校的研究人員**發明了一種方法，可以使這一領域向前邁出一大步。相關研究結果發表在2021年10月28日的Cell期刊上，論文標題為“Biosensors based on peptide exposure show single molecule conformations in live cells”。

　　這些作者在這篇論文中描述了他們的新“結合劑-標簽（binder-tag）”技術，該技術允許科學家們準確定位和跟蹤處于所需形狀或“構象”的蛋白，并在活細胞內實時進行。他們展示了這種技術--基本上是跟蹤對細胞生長很重要的信號蛋白的活性形式的視頻影片。

　　論文共同通訊作者、北卡羅來納大學教堂山分校醫學院藥理學教授Klaus Hahn博士說，“在此之前沒有人能夠開發出一種方法，能夠以如此普遍的方式，完成這種方法所做的工作。因此，我認為它可能會產生非常大的影響。”

　　這項研究是Hahn實驗室與論文共同通訊作者、北卡羅來納大學教堂山分校成像分析專家Timothy Elston博士的實驗室合作完成的。

　　拍攝非常小的東西

　　像所有的生物成像技術一樣，這種新方法解決了一個基本問題，即許多在活細胞中工作的分子無法用普通的光學顯微鏡直接和精確地觀察到。在蛋白質運作的尺度上，光以巨大的波浪流動，在物體周圍彎曲，不能清晰地呈現物體。

　　解決這個問題的一個方法，特別是當蛋白需要在其正常的活細胞環境中被成像時，是用熒光信標來標記目標蛋白，這樣至少熒光信標的發射光可以被觀察到并直接用顯微鏡捕獲---例如，繪制一種特定蛋白在細胞中工作的地方。一種稱為FRET（F?rster resonant energy transfer, 福斯特共振能量轉移）的技術，依靠奇特的量子效應，將一對這樣的熒光信標嵌入目標蛋白中，使它們的光線隨著蛋白的構象變化而變化。這允許對蛋白動力學進行一些研究，因為它們在細胞內發生了改變形狀。但是FRET和其他現有的方法都有局限性，如微弱的熒光信號，這大大限制了它們的實用性。

　　這種新的結合劑-標簽方法首先在被研究的蛋白中插入一種微小的分子“標簽”，并使用一種只有當含有該分子標簽的蛋白采取某種形狀或構象時才與該分子標簽結合的獨特分子，比如當該蛋白處于活躍狀態以幫助細胞執行某種特定功能時。在粘合劑和/或分子標簽中放置適當的熒光信標，可以有效地讓人們隨著時間的推移，對處于特定構象的含分子標簽的蛋白的精確位置進行成像。

　　該方法與各種熒光信標兼容，包括比普通FRET所需的相互作用的熒光信標對更有效的熒光信標。Hahn說，粘結劑-標簽甚至可以用來更容易地建立FRET傳感器。此外，粘結劑-標簽分子的選擇是為了使細胞中沒有任何東西能與它們發生反應并干擾其成像作用。

　　根據Hahn的說法，最終的結果是一種強大的技術，原則上可以處理以前無法實現的各種蛋白質動力學研究，包括對細胞中只有稀少存在的蛋白的研究。

　　在這篇論文中，Hahn及其同事們討論了幾個原則性的證明。他們用這種新方法對一種重要的叫做Src的生長信號蛋白進行了成像，以前所未有的細節揭示了它如何形成微小的活性島。這反過來又使他們能夠分析影響該蛋白的生物作用的因素。

　　Hahn說，“通過這種方法，我們可以觀察到整個細胞的微環境差異是如何影響，往往是深刻地影響，一種蛋白正在做什么。”

　　如今，這些作者正在使用該技術來繪制其他重要蛋白的動態圖譜。他們還在做進一步的論證，以顯示粘結劑-標簽如何能夠被定制來捕捉非常多樣化的蛋白結構和功能的動態變化，而不僅僅是像Src那樣發揮作用的蛋白。

　　這些作者設想，結合劑-標簽最終將成為研究正常蛋白、細胞中更大的多分子結構，甚至是與阿爾茨海默氏病等疾病相關的功能失調的蛋白的一項基礎技術。

　　Hahn說，“對于許多與蛋白有關的疾病，科學家們一直無法理解為什么蛋白開始出現差錯。獲得這種理解的工具在此之前沒有出現。”