华人教授：细胞基因表达调控新见解

最近，康奈尔大学华人教授陈鹏带领的研究小组，通过在纳米级的精密度上追踪蛋白质在活细胞中的运动，对细胞调节其基因表达的方式，获得了新的认识。相关研究结果发表在七月六日发行的《Nature Communications》。

　　

生物通报道：最近，康奈尔大学的研究人员，通过在纳米级的精密度上追踪蛋白质在活细胞中的运动，对细胞调节其基因表达的方式，获得了新的认识。延伸阅读：Nature子刊：蛋白质如何调控基因表达。

每个活细胞里的DNA都包含着“基因蓝图”，指导细胞制造所需要的蛋白质。当需要一种特定的蛋白质时，一个调节蛋白会结合到DNA链上适当的位置，从而导致相邻的基因被“表达”而制造蛋白质。但是，当已经产生了足够多的蛋白质时，也必须有一种机制来关闭基因。制造不再需要的蛋白质，会使细胞浪费很多能量。

康奈尔大学化学和化学生物学系Peter Debye教授陈鹏（音译，Peng Chen）说：“调节蛋白的结合，已得以广泛研究，但我们对于这种结合的解离是如何被调控的，还知之甚少。”

陈鹏1997年毕业于南京大学化学专业，1997年至1998年在加州大学洛杉矶分校担任研究助理，1998年至2003年在斯坦福大学攻读博士学位，并获得化学博士学位，2004年至2005年在哈佛大学从事博士后研究，2005年至今在康奈尔大学，先后担任生物化学和化学生物学助理教授、副教授和教授。曾在PNAS、Journal of the American Chemical Society、Nano Letters、Nature Nanotechnology、Nature Materials、等著名学术期刊发表论文多篇。

通过用荧光染料标记蛋白质，陈鹏和他的同事在几纳米的分辨率上，观察到了蛋白质的运动。在DNA和调节蛋白的溶液中他们看到，当一个蛋白浓度升高时，另一个调节蛋白会引起第一个调节蛋白解离，从而阻止基因的表达。

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现在，陈鹏带领的研究小组已经在活细胞中重复了实验，验证了他们的最初结果，并额外获得了一个令人惊讶的新发现：虽然解离仍然是与蛋白质的浓度有关，但它也与细胞的生长和分裂周期有关。他们在七月六日发行的《Nature Communications》报道了这一研究结果。

研究人员以两个蛋白（CueR和ZntR）为研究对象，这两个蛋白调节着两个蛋白的生产，后者可分别保护细菌免于铜和锌的毒害。几个防御性蛋白可解毒金属，或结合金属原子并将其推出细胞。调节蛋白也与金属原子结合，当它们这样做时，能够以一种方式改变形状，这会使它们与操纵基因位点上的DNA结合，打开基因生产更多的防御性蛋白。当入侵的金属原子被细胞处理时，会充满过量的“非金属化”调节蛋白，这有助于第一个调节蛋白解离，并以一种关闭基因的不同方式，在操纵基因位点替换它。

陈鹏通过将一个荧光分子与蛋白质融合，在显微镜下观察它们的行为，获得了这一发现。虽然光学显微镜不能解决单一的蛋白分子，但它可以随光的闪烁跟踪蛋白。

为了探讨在试管中所发生的事情，是否也发生在活细胞中，研究人员将标记调节蛋白的大肠杆菌放置于显微镜载玻片盖玻片之间的营养液中。研究人员每60毫秒用激光照射玻片以诱发荧光，产生了一部蛋白质运动的定时影片。

实验证实了先前的发现，解离第一个调节蛋白，并停止基因转录之后，未金属化的调节蛋白浓度增加。但也有另外一个惊喜：解离事件被传播到一个较大的区域，从而表明染色体是“更浓缩的”。通常，DNA紧密盘绕和“浓缩”在染色体中，但细胞生长时它变得不那么浓缩，这样染色体就可以被复制，当复制完成时它们再次变得紧密浓缩，并且细胞为分裂做准备。所以调节蛋白解离，以及相关基因表达的调控，与细胞的生长周期有关。

陈鹏说：“这是一个非常令人惊讶的观察结果。这种蛋白质有两种形式——结合金属原子和不结合金属原子。不同形式的蛋白，以不同的方式响应染色体浓缩。虽然这项研究可能带来新的方法，杀死有害细菌，但是我只能推测它与抗生素有何关系。”

（生物通：王英）