清华大学PNAS文章发展单分子技术

　　

生物通报道：来自清华大学生命科学学院，中科院化学研究所分子纳米结构与纳米技术实验室的研究人员在单分子技术方面确定了重要进展，他们通过活细胞单分子成像，发现了转化生长因子受体聚集状态和激活模式方面的新机制。这一研究成果公布在《美国国家科学院院刊》（PNAS）杂志上。

领导这一研究的是清华大学生物膜与膜生物工程国家重点实验室的陈烨光教授，和中科院的方晓红教授，前者主要研究兴趣在于利用膜生物学、分子生物学、生物化学、细胞生物学和发育生物学等多学科技术手段研究TGF-β和Wnt信号的调控以及它们在器官发育、干细胞自我更新和分化、肿瘤形成中的作用。后者主要研究方向为生物物理生物化学分析，发展在单分子和单细胞水平上的高灵敏度的生物医学分析新方法。

从微观到宏观，又从宏观到微观，人类认识事物的过程真是颇具哲理性。单个细胞或分子的分析技术无疑是未来生命科学技术中的一大亮点，是20世纪末迅速发展起来的新技术。目前，生物体系中的单分子研究尤其是活细胞中单个生物分子动态行为的原位实时探测已成为单分子技术发展的主要目标和前沿方向。

转化生长因子TGF-β信号通路在细胞增殖、分化、凋亡和个体发育过程中发挥重要作用，并与癌症等多种疾病的发生发展紧密相关。信号转导发生的第一步是配体TGF-β与细胞膜上特异受体结合以激活受体。TGF-β受体属于丝氨酸/苏氨酸激酶受体。生物学已建立信号转导通路模型认为这类受体在静息状态下以同源二聚体或寡聚体形式存在，在配体TGF-β刺激下与I型受体发生异聚而激活。这与另一类典型生长因子受体--酪氨酸激酶受体所普遍具有的配体诱导单体发生二聚的激活模型形成鲜明对比。但是受研究手段的限制，以往关于TGF-β受体激活前后聚集状态的研究结果都是在过量表达受体和离体（细胞破碎）的条件下得到的，是否能反映生理状态下受体的聚集状态一直存有疑问。

研究人员运用单分子荧光成像技术，控制受体在细胞膜上的表达量，实现了细胞膜上单个TGF-β受体的实时成像。通过对TGF-βII型受体单分子荧光强度和单分子荧光漂白步数的统计，发现该受体静息状态下主要以单体形式存在，配体刺激后二聚体的比例显著增加。同时还发现这种二聚体的形成并不受细胞是否表达TGF-βI型受体的影响。表明TGF-βII型受体与表皮生长因子受体EGFR等酪氨酸激酶一样，具有配体诱导单体二聚的激活方式。对于处于静息状态的细胞，当受体表达量增加时，能形成二聚体等寡聚体。这解释了为何以往基于过量表达受体的生化研究结果没有发现II型受体的单体形式，而认为II型受体等例外地在激活前就以二聚体形式存在。

综合这些结果，研究人员提出配体诱导单体发生二聚的受体激活模型对于TGF-βII型受体这种丝氨酸/苏氨酸激酶类受体仍然适用的新观点。这种活细胞单分子成像和示踪为研究细胞信号转导的分子机制提供了新的途径。

中科院化学研究所分子纳米结构与纳米技术实验室的研究人员长期致力于活细胞体系单分子原位、实时成像和表征方法的研究，建立了可用于细胞信号通路相关膜蛋白受体激活、内吞和配受体结合等研究的活细胞单分子荧光成像和单分子力谱法，在这篇文章中，又通过活细胞单分子成像，在转化生长因子受体聚集状态和激活模式的研究方面取得重要进展。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Single-molecule imaging reveals transforming growth factor-β-induced type II receptor dimerization

Transforming growth factor-β (TGF-β) elicits its signals through two transmembrane serine/threonine kinase receptors, type II (TβRII) and type I receptors. It is generally believed that the initial receptor dimerization is an essential event for receptor activation. However, previous studies suggested that TGF-β signals by binding to the preexisting TβRII homodimer. Here, using single molecule microscopy to image green fluorescent protein (GFP)-labeled TβRII on the living cell surface, we demonstrated that the receptor could exist as monomers at the low expression level in resting cells and dimerize upon TGF-β stimulation. This work reveals a model in which the activation of serine-threonine kinase receptors is also accomplished via dimerization of monomers, suggesting that receptor dimerization is a general mechanism for ligand-induced receptor activation.

作者简介：

陈晔光教授、博士生导师

教育经历:

1979-1983，就读于江西大学生物系，获生物学学士学位。

1983-1986，就读于江西大学生物系，获动物学硕士学位。

1988-1990，就读于Fordham University，获细胞生物学硕士学位。

1991-1996，就读于美国Albert Einstein College of Medicine，获Ph.D.学位

工作经历:

1996-2000, Post-doctoral Research Associate, Memorial Sloan-Kettering Cancer Center/Howard Hughes Medical Institute.

2000-2002, Assistant Professor, University of California, Riverside.

2002-至今，清华大学教授。

研究兴趣、领域

细胞信号转导：利用膜生物学、分子生物学、生物化学、细胞生物学和发育生物学等多学科技术手段研究TGF-β和Wnt信号的调控以及它们在器官发育、干细胞自我更新和分化、肿瘤形成中的作用。

开设的课程:《细胞生物学》、《细胞信号转导与疾病的发生》、《肿瘤生物学专题讨论》



方晓红

教授，博士生导师， 中科院“****”

 1990年毕业于武汉大学化学系，获学士学位。1993年和1996年分别于北京大学化学系获硕士学位和博士学位。1997年4月至1998年3月在加拿大滑铁卢大学化学系做博士后。1998年4月至2001年12月先后在美国佛罗里达大学化学系、生物技术中心及生物/纳米技术交叉研究中心做博士后、助理研究员。2001年4月入选中科院****，2001年12月回国工作，任中国科学院化学研究所分子纳米结构与纳米技术重点实验室研究员，博士生导师。2002年获得国家自然科学基金委杰出青年科学基金。

主要研究方向为生物物理生物化学分析，发展在单分子和单细胞水平上的高灵敏度的生物医学分析新方法，应用扫描探针显微技术对生物分子进行表征，操纵和研究生物分子的相互作用。在研制用于DNA、蛋白质实时检测的新型荧光探针，单分子光学成像和在单分子水平上研究生物分子相互作用等方面取得了一些较高水平的成绩：如（1）发展新型DNA分子信标和核酸识体荧光探针并用于DNA、蛋白质相互作用的研究和蛋白质的检测；（2）首次利用光纤探针进行单分子成像；（3）利用扫描探针显微技术研究DNA/蛋白质单分子相互作用力；(4)发展了多种毛细管电泳蛋白质、DNA高效分离分析新方法。在JACS，Anal. Chem.，和Angewandte Chemie等杂志上发表论文40多篇。