林金星研究组最新文章：单分子技术分析膜蛋白

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生物通报道：膜蛋白作为细胞膜的重要组成部分, 通常会发生胞吞循环以调控其在细胞膜上的数量平衡, 或响应外界环境的刺激. 单分子成像技术是近年来发展起来的, 可用于在活细胞条件下对单个分子进行观测和研究的新技术, 具有较高的时空分辨率, 实现了在纳米和微秒水平上对单个分子的快速实时成像和精确分析.

近期来自中科院植物研究所，北京林业大学等处的研究人员介绍了利用单分子技术, 包括全内反射荧光显微术、荧光相关光谱、荧光互相关光谱分析等方法, 对植物几种重要膜蛋白在质膜上的运动特征以及胞吞途径的研究工作, 总结了植物中脂筏微区分布及脂筏参与的胞吞途径对膜蛋白功能的调控机制, 展望了植物质膜微区的精确划分以及膜蛋白胞吞之后的去向等方面所面临的难题.

由于细胞质膜是流动的, 膜蛋白在这种动态的细胞质膜中可以发生移动和胞吞循环. 越来越多的研究表明, 膜的流动性以及膜蛋白在质膜中的运动, 在信号传递以及物质运输中起到关键作用. 因此, 质膜的动态成像对深入研究生物功能显得尤为重要. 然而, 这种纳米尺度(nanometers)上的膜结构, 以及微秒尺度(microseconds)上的快速运动, 多年来一直缺乏合适的研究手段, 成为质膜成像和研究膜蛋白在质膜上的分布和动力学特征的障碍. 蛋白分子的运动和重排通常发生在几微秒到几分钟, 用常规的显微镜观察固定或冷冻后的样品不合适,
而其他的显微成像技术也无法达到这种快速成像的目的.

单分子技术是在荧光标记的基础上, 运用现代分子成像技术, 对单个蛋白或蛋白聚合体的运动特征和规律进行观察与分析的技术, 现在已经发展成为一种用于检测和发现一些新的膜蛋白功能机制的有效方法. 利用单分子技术的高分辨率, 可以在纳米尺度上观察膜蛋白分子的运动以及分布状态.

更为重要的是, 单分子技术是在活体状态下, 对某一特异蛋白或蛋白聚合体进行的动态分析. 这一技术克服了过去常用的细胞和分子生物学方法来研究膜受体蛋白激活、膜蛋白功能等参数的缺陷, 因为这些结论大都是基于药理学处理而获得的, 是建立在对分子整体活动的集群平均(ensemble averaging). 尽管这样的结果在整体水平上有代表性, 但由于获得的是集群的平均值, 分子本身的特异性质往往无法被精确体现, 甚至可以说是部分掩盖了. 单分子技术不仅能观测到标记分子的实时活动, 还可以发现被集群平均掩盖的分子特性, 已经成为揭示许多分子机制日益重要的研究手段. 随着光学和荧光检测技术的发展, 已经出现多种方法来实时观察活体内的单个分子活动, 包括全内反射荧光显微术(total internal reflection fluorescence microscopy, TIRFM)、荧光相关光谱(fluorescence correlation spectroscopy, FCS)以及荧光互相关光谱(fluorescence cross correlation spectroscopy, FCCS)等.

林金星研究组近年来采用单分子常用技术(TIRFM, FCS 和 FCCS)、 结合单点分析(single particle analysis)、单分子共定位技术(single molecule co- localization), 以及遗传学和细胞生物学等手段, 率先对植物中一些重要膜蛋白, 包括通道蛋白、运输蛋白、受体激酶蛋白等在质膜上的分布、运动以及胞吞过程进行了较为深入系统的研究, 取得了一些未曾报道的新成果.

这篇文章就是结合这些主要成果, 对植物膜蛋白的扩散和胞吞过程进行综述, 并展望了其他一些单分子技术, 譬如超高分辨率显微镜在植物细胞质膜微区的精确确定以及膜蛋白胞吞研究中的应用前景.

作者指出， 活细胞单分子行为和实时观测的研究已经成为生命科学不断向微观世界深入探索的一个重要标志. 近年来, 通过搭建单分子技术平台, 对植物膜蛋白在质膜上的分布与胞吞途径进行了一系列研究, 揭示了植物中膜蛋白会以不同的运动模式在质膜上运动, 并以扩散的方式进出脂筏微区结构. 研究人员发现, 植物膜蛋白除了网格蛋白介导的胞吞途径以外, 还存在脂筏参与的胞吞途径.

更为重要的是, 植物细胞可以通过膜蛋白的胞吞过程和不同的胞吞去向调控达到稳态平衡, 通过膜信号的放大或缩小达到自我调节实现对外界条件刺激的响应. 这些研究结果对了解植物膜蛋白的单分子行为具有重要意义, 为揭示膜蛋白的调控机制打下了坚实的基础.

然而, 还有不少难题值得深入研究. 譬如, 膜蛋白在质膜与胞质之间的转换以及准确界定, 组成型胞吞与降解型胞吞之后膜蛋白的最终去向等方面的研究尚存在不足和空白毋庸置疑, 这需要采用新的技术和方法, 如超高分辨率显微技术, 包括受激发射损耗术(stimulated emis-sion depletion, STED)、随机光子重建显微镜(stochastic optical reconstruction microscopy, STORM)、光敏定位显微镜(photoactivated localization microscopy, PALM)等, 以及新的图像和数据软件的分析, 对活细胞内质膜不同微区结构, 以及单个生物分子的动力学过程开展更加精确地划分和定量分析, 结合分子遗传学手段, 进而揭示在最接近生理活性状态下的质膜组分和膜蛋白的功能特征, 阐明胞吞途径对膜蛋白的调控机制.

（生物通）

原文检索：

王莉, 吕雪芹, 李晓娟, 等. 植物重要膜蛋白的扩散与胞吞机制. 科学通报, 2014, 59: 3035–3042
Wang L, Lü X Q, Li X J, et al. Dynamics and endocytosis of important membrane proteins in plants (in Chinese). Chin Sci Bull (Chin Ver), 2014, 59: 3035–3042, doi: 10.1360/N972014-00677