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Nature Methods:让蛋白“各就其位”[创新技巧]

【字体: 时间:2010年04月23日 来源:生物通

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  来自约翰霍普金斯医学院,细胞动力学中心等处的研究人员利用一种新技术,观测到每一刻人类活细胞中一个分子的精确运动,从而帮助科学家们了解一个蛋白为什么和如何在一个位点是用于细胞分裂和生长,而在另外一个位点却是意味着细胞死亡。这一研究成果公布在《Nature Methods》杂志上。

生物通报道:对于蛋白而言,位置十分重要,就像房地产一样,第一是位置,第二是位置,第三还是位置。位置决定了蛋白的功能,扮演的角色,甚至其结构。

来自约翰霍普金斯医学院,细胞动力学中心等处的研究人员利用一种新技术,观测到每一刻人类活细胞中一个分子的精确运动,从而帮助科学家们了解一个蛋白为什么和如何在一个位点是用于细胞分裂和生长,而在另外一个位点却是意味着细胞死亡。这一研究成果公布在《Nature Methods》杂志上。

领导这一研究的是日裔科学家Takanari Inoue博士,其在细胞成像研究方面获得了许多重要的成果,其近期的研究方向是癌症中细胞迁移模式。

Inoue博士领导的这项最新研究是在一种化学工具的方法上发展出来的,这种化学工具能将蛋白从细胞中心驱使到细胞边缘,即细胞膜的位置。新方法扩充了这一技术,能帮助蛋白“各就其位”。

“一种特殊蛋白的激活位点,以及这种活性的长短能影响细胞对外界刺激作出的反应”,Takanari Inoue博士表示,“我们的目标就是通过这种新型技术,在细胞的各处快速操纵蛋白活性。”

细胞能“聪明”的解决对于远程调控的问题,当它们遇到一个细胞表面的刺激,比如温度,即使这时细胞只能调动少量的分子,但是仍能做成迅速反应。这其中就包括了单个蛋白能通过改变其位置,或者改变速度和活性时间来达到扮演多种功能的作用。

细胞中的化学信号能通过复杂的反馈循环来联系细胞,从而准确的知道每一个蛋白在什么位置,什么信号途径中起到怎样的作用,这需要快速将目标蛋白移动到细胞中的特殊结构上去,这个过程包括了线粒体(细胞的“动力加油器”)和高尔基体(细胞的传递系统)。

比如信号蛋白Ras的研究,Ras蛋白是原癌基因c—ras的表达产物,属单体GTP结合蛋白,具有弱的GTP酶活性,Ras蛋白的活性状态对细胞的生长、分化、细胞骨架、蛋白质运输和分泌等都具有影响,其活性则是通过与GTP或GDP的结合进行调节。

长期以来,科学家们关注的是Ras蛋白的分子开关功能,迄今为止,还没有科学家能区分这种蛋白在不同的位置,比如高尔基体和线粒体中的不同作用,更不用说了解Ras蛋白在这两种细胞器结构或者其它细胞器结构中被同时激活时,到底发生了什么。

研究人员通过显微镜分析活HeLa细胞和Ras蛋白,发展了一种双聚物探针,这种探针包含有一种特殊的小分子,能同时吸引两种正常情况下不具有亲和性的蛋白,并且结合这两种蛋白。在这一系统中,两种蛋白中的一种会定位到一个细胞器结构上,而另外一个则在细胞中自由漂浮,之后研究人员添加一种化学双聚物,诱导这一自由的蛋白结合到另外一种结构上。

之后研究小组又利用一种形似剪刀的酶,切开了这对蛋白的DNA,改变了蛋白目标靶向位置,他们切去了“邮件地址”——即靶标序列(能引导蛋白靠近细胞膜),又添加了新的“地址”,从而蛋白又定位到了另外的特殊细胞器结构上。

“我们能原位操纵蛋白的活性,并且让蛋白非常快速的到达每一个单细胞器结构中”,Inoue表示,“这一技术最终能帮助我们更好的理解这些关键细胞组分中蛋白的功能。”

之前Inoue博士研究组曾发展了一种化学分子工具,这种方法能诱导性,快速开启活细胞中不同的信号分子,但是这种方法受限于蛋白的位置,或者在细胞膜上,或者在内体中的蛋白。而大部分的信号事件都是在一个相对而言多细胞位置的地方受到调控,因此需要发展一种能分析多细胞内位点蛋白的新方法。

这篇最新的文章中,研究人员利用一种双聚物探针,分别吸引两种蛋白,从而能了解一个蛋白为什么和如何在一个位点是用于细胞分裂和生长,而在另外一个位点却是意味着细胞死亡,利用这种新型技术,研究人员能在细胞的各处快速操纵蛋白活性。

具体而言,研究人员将FK506结合蛋白:FKBP或者FKBP-雷帕霉素(Rapamycin)结合位点:FRB,定位在细胞器的表面,而另一端则作为目标蛋白结合点,漂浮在细胞中,前者作为锚定部分(anchor unit),后者作为效应部分(effector unit)。再向细胞添加化学双聚物,比如rapamycin,或者其类似物(举例而言:indole rapamycin2 (iRap)),并通过形成FKBP-FRB复合物,诱导细胞器表面的目标蛋白的翻译,如下图所示:

研究人员通过共焦荧光成像,检测了实验结果,他们发现无论是高尔基体,还是线粒体,溶酶体,这种方法都能帮助诱导细胞器特异性的,快速的分子活性。

Inoue博士长期从事化学生物学研究工作,他毕业于东京大学,曾发展了一种新颖的化学生物学方法,这种方法能帮助进行IP3介导的钙信号途径实时的,高细胞器空间分辨率的观测,之后Inoue博士在Pharmaceutical Sciences完成了他的博士论文,来自斯坦福大学Bio-X研究,组,跟随Tobias Meyer教授进行研究工作,在这里,Inoue博士发明了另外一种合成生物学方法,这种方法能快速,并且诱导性的激活或者抑制细胞内信号分子,利用这种技术,Inoue博士分析了一个细胞生物学中存在已久的问题:磷酸肌醇在KCNQ通道调控中,以及在将小GTP酶移动道细胞膜过程中的作用。目前Inoue博士的实验室正在进行的研究项目是分析neutrophil chemotaxis起始过程中的正反馈机制,即细胞的非对称性(cell symmetry breaking,生物通译)。

(生物通:张迪)

原文摘要:

Organelle-specific, rapid induction of molecular activities and membrane tethering

Using new chemically inducible dimerization probes, we generated a system to rapidly target proteins to individual intracellular organelles. Using this system, we activated Ras GTPase at distinct intracellular locations and induced tethering of membranes from two organelles, endoplasmic reticulum and mitochondria. Innovative techniques to rapidly perturb molecular activities and organelle-organelle communications at precise locations and timing will provide powerful strategies to dissect spatiotemporally complex biological processes.

参考文献:

Inoue, T., Heo, W.D., Grimley, J.S., Wandless, T.J. & Meyer, T. Nat. Methods 2, 415–418 (2005).

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