物理所生物膜界面的精密物理測量研究獲進展

2020-12-14 中國科學院

　　膜蛋白在細胞代謝中起著至關重要的作用。研究膜蛋白特定區域在生物膜上的位置，尤其是沿垂直於膜方向的位置及其動態變化，對於理解膜蛋白的功能及相關的分子機制有重要意義。一些傳統的生物物理技術如核磁共振(NMR)等可以給出時間和系綜平均的數據，但如何實時追蹤單個膜蛋白在約4納米厚的膜內或膜表面幾納米範圍內的動力學過程，仍然是一個挑戰。

　　近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心軟物質物理重點實驗室李明研究組副研究員陸穎和博士生馬東飛等，基於單個供體對多個受體的螢光共振能量轉移(FRET)原理，發展了一套基於脂質體的單分子螢光檢測方法(命名為LipoFRET)，實現了在脂質體上單個膜蛋白動態構象和位置變化的精密觀測，測量精度可達0.7納米。LipoFRET對膜內和膜外區域的膜蛋白標記位點同樣有效，是該方法獨有的優勢。應用此方法，他們對α-突觸核蛋白(α-syn)進行了深入研究，獲得了該蛋白在膜上運動的新信息，澄清了文獻中一些有爭議的問題。該團隊此前曾發明表面誘導螢光衰減(SIFA)方法，在固態襯底表面的平面膜上記錄此類信息（Nat. Comm. 7, 12906 （2017））。脂質體作為一種被廣泛應用於膜蛋白研究的模型體系，擁有可調節曲率、膜流動性不受限等特性。發展在脂質體上研究膜蛋白動態過程的方法，具有天然的優勢。

　　研究團隊以單層脂質體中包裹的臺盼藍染料（TB）作為螢光受體，以膜蛋白上標記的螢光基團作為螢光供體，結合理論計算建立了膜蛋白特定位點的垂直位置與相對螢光亮度的對應關係（圖1）。對單個α-syn蛋白上三個代表性位點的研究表明，α-syn的中間區域(T72)位於脂質體磷脂膜的外表面，C端的無結構尾部(S129)位於溶液中，而N端(K10)插入膜中並呈現多態的特性，其深度在各個狀態之間緩慢切換（圖2）。研究人員還對α-syn的C端與鈣離子的相互作用進行了研究（圖3）。結果顯示，鈣離子使部分標記在129位點的螢光基團出現了一個比原始位置更靠近膜表面的新狀態，兩態之間的高度差約為1.2-1.6 nm。該狀態所佔比例隨著鈣離子濃度的升高而相應增加，而相應濃度的鎂離子則不會誘導α-syn的C端發生變化，清楚地揭示了鈣離子對α-synC端的特異性調控作用。這一成果近期發表在《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition，2019, 58，5577-5581）上。

　　該工作得到國家自然科學基金委（11674382, 11834018, 91753104, 11574381）、中科院前沿科學重點項目（QYZDJ-SSW-SYS014）以及中科院青年創新促進會的支持。

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圖1. LipoFRET方法原理及驗證。

圖2. α-syn三個位點的位置及動態變化。

圖3. 鈣離子對α-syn C端的調控。

　　膜蛋白在細胞代謝中起著至關重要的作用。研究膜蛋白特定區域在生物膜上的位置，尤其是沿垂直於膜方向的位置及其動態變化，對於理解膜蛋白的功能及相關的分子機制有重要意義。一些傳統的生物物理技術如核磁共振(NMR)等可以給出時間和系綜平均的數據，但如何實時追蹤單個膜蛋白在約4納米厚的膜內或膜表面幾納米範圍內的動力學過程，仍然是一個挑戰。
　　近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心軟物質物理重點實驗室李明研究組副研究員陸穎和博士生馬東飛等，基於單個供體對多個受體的螢光共振能量轉移(FRET)原理，發展了一套基於脂質體的單分子螢光檢測方法(命名為LipoFRET)，實現了在脂質體上單個膜蛋白動態構象和位置變化的精密觀測，測量精度可達0.7納米。LipoFRET對膜內和膜外區域的膜蛋白標記位點同樣有效，是該方法獨有的優勢。應用此方法，他們對α-突觸核蛋白(α-syn)進行了深入研究，獲得了該蛋白在膜上運動的新信息，澄清了文獻中一些有爭議的問題。該團隊此前曾發明表面誘導螢光衰減(SIFA)方法，在固態襯底表面的平面膜上記錄此類信息（Nat. Comm. 7, 12906 （2017））。脂質體作為一種被廣泛應用於膜蛋白研究的模型體系，擁有可調節曲率、膜流動性不受限等特性。發展在脂質體上研究膜蛋白動態過程的方法，具有天然的優勢。
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　　該工作得到國家自然科學基金委（11674382, 11834018, 91753104, 11574381）、中科院前沿科學重點項目（QYZDJ-SSW-SYS014）以及中科院青年創新促進會的支持。
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圖1. LipoFRET方法原理及驗證。

圖2. α-syn三個位點的位置及動態變化。

圖3. 鈣離子對α-syn C端的調控。

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