揭开细胞膜融合的神秘面纱

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    [生物通讯]莱斯大学和美国能源部Brookhaven国家实验室的物理学家们揭开了基础生物学最难解的谜团之一－－细胞膜融合起始阶段的结构－－背后的神秘机制。这篇发表在9月11日期《科学》（Science）杂志上的文章，为提高基因治疗和药物运输有效性的研究打开了希望之门。

    虽然我们普遍考虑的都是细胞在机体中的分裂与增殖，但两个细胞融合到一起也是有可能的。事实上，入侵的病毒通常就是通过与健康细胞的融合将外源基因导入宿主细胞的，细胞融合也是精子和卵子共享遗传信息必需经过的一个基本过程。由于我们机体中的大多数细胞相互接触却又不发生融合，因而科学家们对于了解这个融合过程是如何启动又是如何进行的有着极大的兴趣。

    科学家对细胞融合了解甚少的原因之一就是由于细胞的结合由细胞膜开始。细胞膜是包围在每个细胞四周的极薄的包膜。所有的生物膜都由两层脂膜构成，称为双分子层(bilayer),双分子层内含大量蛋白。虽然只是二维的脂膜，细胞膜仍然是细胞中我们了解最少的结构之一，这是因为即使是生物化学中最强大的技术－－X射线结晶术和高分辨率的核磁共振技术－－也很难用于细胞膜的研究。

    “细胞膜融合是由一组复杂的大型蛋白质控制的，但科学家对于这些蛋白是如何起作用的却一无所知。”文章的高级作者、莱斯大学的Ham 和 Helen Worden物理学和天文学教授Huey Huang说道。“我们的研究对于研究这些蛋白的科学家们将会大有帮助。”

    科学家知道，当两个细胞的细胞膜之间形成一个交叉点即一个极小的洞时，细胞融合就开始了。这个交叉点随着时间推移不断扩大，直到两个细胞的内含物都由一个连续的膜包被。Huang 与文章的合著者、莱斯大学一名已经毕业的研究生、现在Brookhaven国家实验室的国家同步加速器光源中心（National Synchrotron Light Source，NSLS）从事博士后研究的物理学家Lin Yang，通过X射线结晶术的变体－－X射线衍射从实验上证实了一个为时甚久的关于两个细胞膜之间如何形成初始桥的理论。了解这种初始分子连接的基本结构对于找到融合蛋白启动细胞融合所需要克服的能量障碍至为关键。

    为揭示融合细胞膜的结构，Huang 和 Yang首先设法产生组成大量磷脂膜的小晶体。接下来，他们用NSLS的X射线照射这些晶体。通过研究X射线在晶体中是如何衍射的，Huang 和 Yang绘制出衍射图案，即细胞膜的磷脂层的原子结构图。

    通过脱水大量细胞膜，科学家能够诱导细胞膜融合。通过分析这些细胞膜样品的衍射图案，研究人员进一步证实，两个细胞膜是在融合的活动中相互捕捉的。这些衍射图案表明，细胞膜融合开始于一个叫做“柄（stalk）的滴漏形结构，理论学家已经预言过这种结构的存在。

    既然我们已经知道了这是一个什么样的结构，我们就能够计算其自由能路径－－这是一种显示细胞膜融合的能量障碍存在何处的图谱。”Huang解释说。“基本上，从事基因治疗和药物运输研究的医学研究人员对于查明两个细胞是如何融合到一起的很有兴趣，因为他们可以通过激活细胞融合过程来运送新基因和药物到病人体内。目前，非病毒载体的基因转移的瓶颈就是细胞融合。”

消息来源：莱斯大学

生物通摘译自BIO.COM