瞭解蛋白質在細胞中工作時如何彎曲、扭曲和形狀變化對於理解正常的生物學和疾病非常重要。但是，由於缺乏有效的蛋白質成像方法，對蛋白質動力學的深入理解一直是難以捉摸的。現在，UNC醫學院的科學家們第一次發明了一種方法，可以使這一領域向前邁進一大步。
科學家們的新的“粘合劑標籤”技術，使研究人員能夠精確地定位和跟蹤處於所需形狀或“構象”的蛋白質，並在生命中實時地進行這種細胞定位和跟蹤。科學家們在追蹤一種重要訊號的活躍版本的電影中演示了這項技術。蛋白-在這種情況下，一個分子對細胞生長。
“沒有人能開發出一種方法，能夠以這樣一種通用的方式完成這種方法所做的事情。所以我認為它可能會產生很大的影響，”研究的資深作者克勞斯·哈恩(Klaus Hahn)說。哈恩博士是羅納德·G·瑟曼(Ronald G.Thaman)的藥理學傑出教授，也是UNC醫學院奧林匹斯成像中心(UNC-奧林巴斯成像中心)的主任。
這項工作是哈恩實驗室和影像分析專家蒂莫西埃爾斯頓實驗室之間的合作，他是加州大學醫學院藥理學教授和計算醫學專案的聯合主任。
拍攝非常小的分子
這種新方法和所有生物成像技術一樣，解決了基本問題許多在活細胞中工作的分子無法用普通的光學顯微鏡直接而精確地顯示出來。在蛋白質運作的尺度下，光在巨大的波浪中流動，它們圍繞著物體彎曲，不能使物體變得尖銳。
解決這一問題的一種方法，尤其是當蛋白質需要在正常的活細胞環境中成像時，是用熒光信標標記目標蛋白，這樣至少可以用顯微鏡直接看到和捕捉信標的光發射--例如，繪製特定蛋白質在細胞中工作的位置。一種叫做FRET(F rster共振能量轉移)的技術依賴於奇異的量子效應，將這些信標嵌入目標蛋白質中，使它們的光隨著蛋白質構象的變化而變化。這就允許對蛋白質動態進行一些研究，因為它們在細胞內的形狀發生了變化。但是，FRET和其他現有的方法都有侷限性，例如弱熒光訊號，這極大地限制了它們的實用性。
新的結合劑標記方法首先是在正在研究的蛋白質中插入一個微小的分子“標記”，並且使用一個單獨的分子，該分子只有在含標籤的蛋白質具有某種形狀或構象時才能與標籤結合，例如當蛋白質活躍地幫助細胞履行特定的功能時。在粘合劑和/或標記分子中放置適當的熒光信標，可以有效地使研究人員隨著時間的推移，對處於特定構象中的標記蛋白的確切位置進行成像。
該方法與廣泛的信標相容，包括比普通訊標所需的相互作用信標對更有效的信標。哈恩說，活頁夾標籤甚至可以更容易地用於製造FRET感測器。此外，選擇結合劑標記分子，使細胞中的任何東西都不能與它們發生反應並干擾它們的成像作用。
根據Hahn的說法，最終的結果是一種穩健的技術，在原則上可以處理以前無法達到的各種各樣的蛋白質動力學研究，包括對細胞中很少存在的蛋白質的研究。
在論文中，哈恩和他的同事們討論了幾種原理論證.他們用這種新的方法來描繪一種重要的生長訊號蛋白Src，以前所未有的細節揭示它是如何形成微小的活動島的。這反過來又使研究人員能夠分析影響蛋白質生物學作用的因素。
哈恩說：“透過這種方法，我們可以看到，例如，細胞間的微環境差異如何深刻地影響蛋白質的作用。”
現在，研究人員正在利用這一技術來繪製其他重要蛋白質的動態圖。他們還在做進一步的演示，展示如何定製粘合劑標籤，以捕捉非常多樣的蛋白質結構和功能的動態，而不僅僅是像Src那樣工作的蛋白質。
科學家們設想，粘合劑標記最終將成為研究正常蛋白質、細胞中更大的多分子結構，甚至是與阿爾茨海默氏症等疾病相關的功能失調的蛋白質的一種基本的啟用技術。
哈恩說：“對於許多與蛋白質有關的疾病，科學家們還無法理解為什麼蛋白質開始做錯誤的事情。”“獲得這種理解的工具還沒有到位。”
更多內容：Bei Liu et al, Biosensors based on peptide exposure show single molecule conformations in live cells, Cell(2021). DOI: 10.1016/j.cell.2021.09.026
