强大的新技术使科学家能够研究蛋白质如何改变细胞内的形状

了解蛋白质在细胞中进行工作时如何弯曲、扭曲和变形，对于理解正常的生物学和疾病非常重要。但由于缺乏有效的蛋白质成像方法，对蛋白质动力学的深入理解通常难以捉摸。现在，北卡罗来纳大学医学院的科学家们第一次发明了一种方法，可以使该领域向前迈进一大步。

科学家们在Cell上的一篇论文中描述了新的“绑定标签”技术，它使研究人员能够精确定位和跟踪具有所需形状或“构象”的蛋白质，并在活细胞内实时进行。科学家们基本上在跟踪重要信号蛋白的活性版本的电影中展示了这项技术，在这种情况下，这种分子对细胞生长很重要。

“没有人能够开发出一种方法，能够以如此普遍的方式完成这种方法的作用。所以我认为它可能会产生非常大的影响，”该研究的共同资深作者克劳斯·哈恩博士说。 ， Ronald G. Thurman 杰出药理学教授，UNC-Olympus 成像中心主任，UNC 医学院。

这项工作是 Hahn 的实验室与成像分析专家 Timothy Elston 博士实验室之间的合作，他是 UNC 医学院药理学教授和计算医学项目的联合主任。

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与所有生物成像技术一样，这种新方法解决了许多在活细胞中工作的分子无法用普通光学显微镜直接和精确地观察到的基本问题。在蛋白质运作的尺度上，光以巨大的波流动，围绕物体弯曲，无法清晰地渲染物体。

解决这个问题的一种方法，特别是当蛋白质需要在其正常的活细胞栖息地中成像时，是用荧光信标标记目标蛋白质，这样至少可以用显微镜直接看到和捕获信标的光发射——例如，绘制特定蛋白质在细胞中起作用的位置。一种称为 FRET(福斯特共振能量转移)的技术依赖于奇异的量子效应，将成对的这种信标嵌入目​​标蛋白质中，这样它们的光就会随着蛋白质构象的变化而变化。这允许对蛋白质动力学进行一些研究，因为它们在细胞内变形。但 FRET 和其他现有方法存在局限性，例如荧光信号较弱，这极大地限制了它们的实用性。

新的结合标签方法开始于在被研究的蛋白质中插入一个微小的分子“标签”，并使用一个单独的分子，只有当含有标签的蛋白质具有某种形状或构象时，才会与标签结合，例如当蛋白质具有活性以帮助细胞执行特定功能时。将适当的荧光信标放置在结合剂和/或标签分子内，研究人员可以有效地对特定感兴趣构象的标记蛋白质的精确位置进行成像，随着时间的推移。

该方法与范围广泛的信标兼容，包括比普通 FRET 所需的交互信标对更有效的信标。Hahn 说，Binder-tag 甚至可以更轻松地用于构建 FRET 传感器。此外，选择了结合剂标签分子，因此细胞中的任何东西都不能与它们发生反应并干扰它们的成像作用。

根据 Hahn 的说法，最终结果是一种强大的技术，原则上可以处理以前无法实现的各种蛋白质动力学研究，包括对仅在细胞中稀疏存在的蛋白质的研究。

在Cell论文中，Hahn 及其同事讨论了几个原理验证演示。他们使用这种新方法对一种名为 Src 的重要生长信号蛋白进行成像，以前所未有的细节揭示它如何形成活动的小岛。反过来，这使研究人员能够分析影响蛋白质生物学作用的因素。

“通过这种方法，我们可以看到，例如，细胞间的微环境差异如何影响蛋白质的作用，通常是深刻的，”哈恩说。

现在，研究人员正在使用该技术绘制其他重要蛋白质的动力学图谱。他们还进行了进一步的演示，以展示如何定制绑定标签以捕获非常多样化的蛋白质结构和功能的动态，而不仅仅是像 Src 一样工作的蛋白质。

科学家们设想，binder-tag 最终将成为研究正常蛋白质、细胞中更大的多分子结构，甚至与阿尔茨海默氏症等疾病相关的功能失调蛋白质的基本技术。

“对于许多与蛋白质相关的疾病，科学家们一直无法理解为什么蛋白质开始做错事，”哈恩说。“目前还没有获得这种理解的工具。”

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