化學所在細胞信號轉導相關蛋白的單分子實時成像和表徵研究方面...

2020-11-30 中國科學院

單分子技術是20世紀末迅速發展起來的新技術。目前，生物體系中的單分子研究尤其是活細胞中單個生物分子動態行為的原位實時探測已成為單分子技術發展的主要目標和前沿方向。

中科院化學研究所分子納米結構與納米技術實驗室研究人員在國家自然科學基金委重大研究計劃、科技部納米科學重大科學研究計劃和中科院等相關項目的支持下，長期致力於活細胞體系單分子原位、實時成像和表徵方法的研究，建立了可用於細胞信號通路相關膜蛋白受體激活、內吞和配受體結合等研究的活細胞單分子螢光成像和單分子力譜法（J. Phys. Chem. B 2008, 112: 4140-4145；2006,110, 19647-19651. Exp. Cell. Res. 2009，315，2847-55； 2007, 331, 3497-3504）。 近期，分子納米結構與納米技術實驗室研究人員與清華大學生物系合作，通過活細胞單分子成像，在轉化生長因子受體聚集狀態和激活模式的研究方面取得重要進展，相關研究成果發表於2009年美國科學院院刊（Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 106, 15679-15683, 2009）。

轉化生長因子TGF-β信號通路在細胞增殖、分化、凋亡和個體發育過程中發揮重要作用，並與癌症等多種疾病的發生發展緊密相關。信號轉導發生的第一步是配體TGF-β與細胞膜上特異受體結合以激活受體。TGF-β受體屬於絲氨酸/蘇氨酸激酶受體。生物學已建立信號轉導通路模型認為這類受體在靜息狀態下以同源二聚體或寡聚體形式存在，在配體TGF-β刺激下與I型受體發生異聚而激活。這與另一類典型生長因子受體--酪氨酸激酶受體所普遍具有的配體誘導單體發生二聚的激活模型形成鮮明對比。但是受研究手段的限制，以往關於TGF-β受體激活前後聚集狀態的研究結果都是在過量表達受體和離體（細胞破碎）的條件下得到的，是否能反映生理狀態下受體的聚集狀態一直存有疑問。

研究人員運用單分子螢光成像技術，控制受體在細胞膜上的表達量，實現了細胞膜上單個TGF-β受體的實時成像。通過對TGF-βII型受體單分子螢光強度和單分子螢光漂白步數的統計，發現該受體靜息狀態下主要以單體形式存在，配體刺激後二聚體的比例顯著增加。同時還發現這種二聚體的形成並不受細胞是否表達TGF-βI型受體的影響。表明TGF-βII型受體與表皮生長因子受體EGFR等酪氨酸激酶一樣，具有配體誘導單體二聚的激活方式。對於處於靜息狀態的細胞，當受體表達量增加時，能形成二聚體等寡聚體。這解釋了為何以往基於過量表達受體的生化研究結果沒有發現II型受體的單體形式，而認為II型受體等例外地在激活前就以二聚體形式存在。綜合這些結果，研究人員提出配體誘導單體發生二聚的受體激活模型對於TGF-βII型受體這種絲氨酸/蘇氨酸激酶類受體仍然適用的新觀點。

活細胞單分子成像和示蹤為研究細胞信號轉導的分子機制提供了新的途徑。

 

圖1  細胞膜上綠色螢光蛋白標記TGF-βII型受體的單分子圖像

圖2  受體螢光漂白步數的變化提示刺激後二聚體比例增加 

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