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Cell:首次观察细胞内的蛋白复合体结构和功能

发布时间:2021-03-15 16:22:57

Cell:首次观察细胞内的蛋白复合体结构和功能

图片来自O. Gallego, IRB Barcelona

当前,研究蛋白纳米机器功能的生物学家从细胞中分离出这些复合体,然后利用体外技术在原子水平上观察它们的结构。或者,他们采用允许在活细胞内对这些复合体进行分析的技术,但是这很少会提供结构信息。在一项新的研究中,来自西班牙、德国和瑞士的研究人员开发出一种新的技术,从而能够直接观察到活细胞中这些蛋白复合体的结构和功能。相关研究结果发表在2017年1月26日那期Cell期刊上,论文标题为“The In Vivo Architecture of the Exocyst Provides Structural Basis for Exocytosis”。

论文通信作者、西班牙巴塞罗那生物医学研究所研究员Oriol Gallego解释道,“这些可用的体外技术是非常优秀的,允许我们在原子水平上进行观察,但是所获得的信息是有限的。但是如果我们让发动机解体,仅研究单个零件,那么我们将不会知道它是如何工作的。我们需要观察组装在汽车中的这种发动机运转。在生物学上,我们仍然没有工具观察活细胞的内部工作机制,但是我们开发的这种技术是朝着正确方向走的一步,而且如今我们能够三维地观察这些蛋白复合体如何执行它们的功能。”

观察蛋白纳米机器在工作

这种新的策略采用了超分辨率显微技术和计算建模方法。Gallego解释道,它允许研究人员在5纳米的精度下观察蛋白复合体,这一分辨率比“超分辨率显微技术所提供的分辨率高4倍,而且允许我们开展之前不可能开展的细胞生物学研究。”

研究人员对细胞进行基因修饰以便在内部构建出人工支持物。在这些支持物表面上,它们能够附着蛋白复合体。经过设计,这些支持物允许他们调整观察这些固定的纳米机器的角度。随后,为了确定蛋白复合体的三维结构,他们利用超分辨率技术测量不同组分之间的距离,然后在一种类似全球定位系统使用的过程中将它们进行整合。

胞吐作用(exocytosis)的基本特征

Gallego采用这种方法研究胞吐作用,即细胞用来与细胞外面进行通信的一种机制。比如,神经元通过胞吐作用释放神经递质而彼此间进行通信。这项研究允许研究人员揭示出胞吐作用中一种关键的纳米机器的完整结构。他解释道,“如今,我们知道这种纳米机器是如何由8种蛋白形成的,每种蛋白在其中具有什么重要的作用。这一知识将有助我们更好地理解胞吐作用在癌症和肿瘤转移中的作用。”

新研究

鉴于细胞的内部工作机制发生改变能够导致疾病产生,理解纳米机器如何执行它们的细胞功能具有重要的生物医学意义。利用这种新的策略,研究细胞的蛋白纳米机器在健康和疾病中发挥的作用是可能的。比如,科学家有可能观察病毒和细菌在感染期间如何使用蛋白纳米机器,和更好地理解蛋白复合体中的致病性缺陷以便设计新的逆转它们的治疗策略。

这种技术能够被用来研究相对较大的蛋白复合体。Gallego说,赚钱,“在5纳米的精度下,能够观察蛋白复合体是一个巨大的成就,但是在原子水平下观察细胞内部仍然还有好长的路要走。但是,我认为在未来,将多种方法整合在一起,将每种方法的力量组合在一起,有可能实现这一点。”