Cell：揭示强大的新技术允许研究蛋白在细胞内如何改变形状

了解蛋白在细胞中工作时是如何弯曲、扭曲和改变形状的，对于理解正常的生物学和疾病有极大的重要性。但是，由于缺乏良好的蛋白工作成像方法，对蛋白动力学的深入理解通常是难以捉摸的。如今，在一项新的研究中，来自美国北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员首次发明了一种方法，可以使这一领域向前迈出一大步。相关研究结果发表在2021年10月28日的Cell期刊上，论文标题为“Biosensors based on peptide exposure show single molecule conformations in live cells”。

这些作者在这篇论文中描述了他们的新“结合剂-标签（binder-tag）”技术，该技术允许科学家们准确定位和跟踪处于所需形状或“构象”的蛋白，并在活细胞内实时进行。他们展示了这种技术--基本上是跟踪对细胞生长很重要的信号蛋白的活性形式的视频影片。

论文共同通讯作者、北卡罗来纳大学教堂山分校医学院药理学教授Klaus Hahn博士说，“在此之前没有人能够开发出一种方法，能够以如此普遍的方式，完成这种方法所做的工作。因此，我认为它可能会产生非常大的影响。”

这项研究是Hahn实验室与论文共同通讯作者、北卡罗来纳大学教堂山分校成像分析专家Timothy Elston博士的实验室合作完成的。

拍摄非常小的东西

像所有的生物成像技术一样，这种新方法解决了一个基本问题，即许多在活细胞中工作的分子无法用普通的光学显微镜直接和精确地观察到。在蛋白质运作的尺度上，光以巨大的波浪流动，在物体周围弯曲，不能清晰地呈现物体。

解决这个问题的一个方法，特别是当蛋白需要在其正常的活细胞环境中被成像时，是用荧光信标来标记目标蛋白，这样至少荧光信标的发射光可以被观察到并直接用显微镜捕获---例如，绘制一种特定蛋白在细胞中工作的地方。一种称为FRET（Förster resonant energy transfer， 福斯特共振能量转移）的技术，依靠奇特的量子效应，将一对这样的荧光信标嵌入目标蛋白中，使它们的光线随着蛋白的构象变化而变化。这允许对蛋白动力学进行一些研究，因为它们在细胞内发生了改变形状。但是FRET和其他现有的方法都有局限性，如微弱的荧光信号，这大大限制了它们的实用性。

这种新的结合剂-标签方法首先在被研究的蛋白中插入一种微小的分子“标签”，并使用一种只有当含有该分子标签的蛋白采取某种形状或构象时才与该分子标签结合的独特分子，比如当该蛋白处于活跃状态以帮助细胞执行某种特定功能时。在粘合剂和/或分子标签中放置适当的荧光信标，可以有效地让人们随着时间的推移，对处于特定构象的含分子标签的蛋白的精确位置进行成像。

该方法与各种荧光信标兼容，包括比普通FRET所需的相互作用的荧光信标对更有效的荧光信标。Hahn说，粘结剂-标签甚至可以用来更容易地建立FRET传感器。此外，粘结剂-标签分子的选择是为了使细胞中没有任何东西能与它们发生反应并干扰其成像作用。

根据Hahn的说法，最终的结果是一种强大的技术，原则上可以处理以前无法实现的各种蛋白质动力学研究，包括对细胞中只有稀少存在的蛋白的研究。

在这篇论文中，Hahn及其同事们讨论了几个原则性的证明。他们用这种新方法对一种重要的叫做Src的生长信号蛋白进行了成像，以前所未有的细节揭示了它如何形成微小的活性岛。这反过来又使他们能够分析影响该蛋白的生物作用的因素。

Hahn说，“通过这种方法，我们可以观察到整个细胞的微环境差异是如何影响，往往是深刻地影响，一种蛋白正在做什么。”

如今，这些作者正在使用该技术来绘制其他重要蛋白的动态图谱。他们还在做进一步的论证，以显示粘结剂-标签如何能够被定制来捕捉非常多样化的蛋白结构和功能的动态变化，而不仅仅是像Src那样发挥作用的蛋白。

这些作者设想，结合剂-标签最终将成为研究正常蛋白、细胞中更大的多分子结构，甚至是与阿尔茨海默氏病等疾病相关的功能失调的蛋白的一项基础技术。

Hahn说，“对于许多与蛋白有关的疾病，科学家们一直无法理解为什么蛋白开始出现差错。获得这种理解的工具在此之前没有出现。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

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.