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《红外纳米光谱识别的紫色膜中跨膜蛋白结构的异质性》

  • 来源专题：纳米科技
  • 编译者： 郭文姣
  • 发布时间：2017-09-29

  • 细胞膜本质上是异质的，因为当地的蛋白质和脂质分布对生理过程至关重要。即使是在模板系统中植入单一的蛋白质类型，如紫色膜，也可以对外部刺激或环境因素作出不同的局部反应，从而导致异构的构象变化。尽管微光谱技术取得了巨大的进展，但对构象异质性的识别仍然是一项具有挑战性的任务。增强型红外纳米光谱技术用于识别与50纳米直径细胞膜区域内的跨膜蛋白的水化状态相联系的构象变化，而不需要荧光标记。在干燥的紫色膜单分子中，在大量的分子中发现了大量的水分子，这些分子具有随机分布的水化状态。红外纳米光谱的研究结果与基于同步加速器辐射的衍射极限红外技术的光谱进行了比较，在此基础上，衍射极限仍然可以阻止纳米尺度的非均匀性的观察。

    ——文章发布于2017年9月27日

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    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2022-11-14
    • 国家纳米科学中心朱凌项目研究员、杨延莲研究员与中国科学院物理所陈佳宁研究员合作，在利用纳米红外光谱技术研究小细胞外囊泡（sEV）的蛋白质二级结构并用于乳腺癌恶性程度和转移性评估方面取得新进展。相关研究成果以Single-vesicle Infrared Nanoscopy for Noninvasive Tumor Malignancy Diagnosis为题发表于《美国化学会志》（J. AM. Chem. Soc. 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c07393）。 作为动态生物分子，蛋白质的丰度和结构对于肿瘤的发生和发展至关重要。肿瘤相关蛋白质组成和结构的差异为阐明癌症发病机制提供重要信息，是肿瘤诊断和药物设计的重要生物标志物。sEV是由细胞分泌的纳米尺度（直径30–200 nm）的膜囊泡，携带和传递来源细胞的蛋白质、核酸等分子信息，影响生理病理过程。对肿瘤来源sEV蛋白质组分和二级结构的分析，有助于阐明sEV在肿瘤进展和转移中的作用，并促进肿瘤相关标志物的开发和液体活检技术的发展。然而sEV极具异质性，其蛋白组成和结构存在个体差异，单个sEV的分子分析和异质性评估在技术上仍具有挑战性。光学表征提供了无损、快速、非侵入性的便捷探测手段研究蛋白质的组分和结构信息，然而由于远场光谱学的微米级光斑与百纳米级sEV直径之间的尺寸差异，使得远场光谱技术仅限于开展对sEV族群的大样本统计分析，无法实现单个sEV层次表征和检测其物理化学性质。 研究团队利用自搭建的基于近场光学显微镜的纳米红外光谱系统（nano-FTIR）的10 nm尺度红外光场局域增强，在蛋白质酰胺I带（1600–1700 cm-1）和酰胺II带（1510–1580 cm-1）的指纹光谱频段内，对单个sEV开展原位红外指纹光谱研究。利用酰胺I带吸收频率对蛋白质骨架结构的高度敏感性，通过对正常细胞和不同恶性程度肿瘤细胞来源的sEV的红外光谱进行统计分析，发现酰胺I/II吸收比值随着sEV来源细胞系的恶性程度增加而增加，高恶性肿瘤细胞来源sEV蛋白质α-螺旋和无归卷曲的含量发生显著下降，反平行β-折叠和β-转角显著增加。并通过比较无转移和淋巴结转移乳腺癌患者原发灶肿瘤组织来源sEV，证明这种sEV蛋白质二级结构的改变可高灵敏评估肿瘤转移性。研究结果显示了nano-FTIR在单个sEV水平进行分子鉴定和分析的优势，证明了sEV蛋白质二级结构变化在癌症检测中的意义和临床价值，为基于sEV的nano-FTIR分子指纹谱识别的癌症诊断提供了新的解决方案。 杨延莲课题组长期致力于开发肿瘤检测及治疗的新方法。前期提出了微球辅助流式细胞术的方法检测血液来源的sEV，并将该方法拓展应用于乳腺癌（Small methods. 2018;2(11):1800122），脑胶质瘤（Theranostics, 2019;9(18): 5347-58），垂体瘤（Analytical Chemistry, 2019;91(15): 9580-89）等多种肿瘤的液体活检分析当中，并在100余例癌症患者血液样本中取得很好的检测效果，实现了多种癌症上的临床诊断和分子分型，具有高灵敏度和特异性。同时，针对sEV异质性问题，构建基于原子力显微镜的单个sEV力学性质分析模型，实现了对不同恶性程度以及同一来源不同大小sEV的纳米力学性质差异分析（Advanced Science, 2021;8(18): 2100825）。这些结果为发展基于sEV的液体活检技术提供了重要信息和方法。 中国科学院物理研究所薛孟飞博士（现为国科温州研究院博士后）和国家纳米科学中心叶思源博士为共同第一作者。国家纳米科学中心朱凌项目研究员、杨延莲研究员、中国科学院物理所陈佳宁研究员为共同通讯作者。上述研究工作得到了中国科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、中国博士后科学基金和中国科学院青年创新促进会的支持。        原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.2c07393   图. 基于nano-FTIR的单个sEV蛋白质二级结构分析用于评估肿瘤恶性程度和转移性。（a）单个sEV原位红外吸收光谱分析；（b）sEV红外吸收光谱特征和蛋白质二级结构组成与肿瘤恶性程度相关；（c）sEV红外吸收光谱特征和蛋白质二级结构组成可评估乳腺癌患者转移性。
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    • 编译者：李康音
    • 发布时间：2023-12-14
    • 2023年12月11日，VIB等机构的研究人员在Nature杂志在线发表了题为SlyB encapsulates outer membrane proteins in stress-induced lipid nanodomains的文章。 革兰氏阴性菌的外膜(OM)由一个不对称的磷脂-脂多糖双层组成，内部密集分布着 β-桶蛋白(OMPs)和脂蛋白1。该双分子层的结构和组成受到密切监测，对细胞的完整性和存活至关重要。 该研究发现在 PhoPQ 应激调节子中的脂蛋白 SlyB 与外膜蛋白质组形成稳定的应激诱导复合物。SlyB 由10kDa 周质 β-夹心结构域和甘氨酸拉链结构域组成，甘氨酸拉链结构域形成具有离散磷脂和脂多糖结合位点的跨膜 α-螺旋发夹。在脂质不对称性丧失后，SlyB 寡聚成环状的跨膜复合物，将 β-桶蛋白包裹成可变大小的脂质纳米结构域。 研究人员发现 SlyB 纳米结构域的形成在由于抗微生物肽或急性阳离子短缺导致的脂多糖不稳定过程中是必不可少的，这种情况在没有功能性 slyB 的情况下会导致 OMPs 的丧失和 OM 屏障功能的损害。该研究的数据显示 SlyB 作为参与细胞包膜蛋白抑制和完整性的区室化跨膜保护蛋白，并且表明 SlyB 代表广泛保守的(脂质)蛋白家族，具有能够形成脂质纳米结构域的2TM 甘氨酸拉链结构域。
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