约翰霍普金斯医学院:水凝胶揭示蛋白质内部结构

时间: 2017-11-08 15:30:18浏览(844)评论(0)点赞(1)收藏(1)


约翰霍普金斯大学细胞生物学家报道,他们首次在活细胞内创造出一种叫做水凝胶的基于蛋白质的明胶状凝聚块。当蛋白质或其他分子在特定条件下聚集时,会形成某种自然结构,这种结构非常复杂,长时间以来,科学家一直难以捉摸,而制造所需的水凝胶将会推动这一领域的研究,并揭示它们对人类疾病的可能贡献。

Hydrogel

Takanari Inoue博士说:“这项工作很令人兴奋,不仅仅是我们制造出了水凝胶,而且我们现在配备了这个强大的技术,让我们能够提出一些基本的,非常具有挑战性的问题。约翰霍普金斯大学医学院细胞生物学副教授,该研究报告的资深作者11月6日在“Nature Materials”杂志上发表了这一研究报告。

水凝胶是一种固体凝胶材料,由于其分子之间的紧密连接而结合在一起,但也能吸收大量的水。人造水凝胶用于日常用品,如隐形眼镜,一次性尿布和发胶,这些产品充分利用了水的特性。

在活细胞中,大多数浮动结构被细胞膜封闭,帮助它们保持其在细胞水样细胞质中的形状。但是,当细胞处于应激状态(热、饥饿、感染),蛋白质和RNA分子可以聚集成应激颗粒,细胞膜无法封闭这些颗粒,并且常常形成类似于悬浮在水中的发胶状小球。

一些研究人员假设,这些天然水凝胶的积累可能与神经退行性疾病(包括肌萎缩性侧索硬化症(ALS))有关,应激颗粒过多或过少均可能影响细胞的功能。但是找到证据异常困难,部分原因在于细胞内的其他种类的水凝胶可能是细胞生理学的正常部分。

Inoue说:“这些水凝胶缺乏膜,所以很难分离和纯化。他补充说:“它们异常脆弱,我们不能像细胞核或线粒体那样收集。更糟的是,当周围环境发生变化时,应激颗粒会从水凝胶转变成一种不同类型的结构,称为液滴,就像发热凝胶一样,在发热的过程中可能会溶解在水中。全世界的科学家都试图将化学水凝胶注射到活细胞中进行研究,但通常这些细胞会生病,原因可能是化学凝胶有毒。

为了克服这些障碍,Inoue团队设计了一个由两种结合蛋白FKBP+FRB以及雷帕霉素(一种免疫抑制化学药物)组成的iPOLYMER系统。研究人员已经知道雷帕霉素可以用来介导FKBP和FRB之间的相互作用。

以前的研究表明,没有雷帕霉素存在,FKBP和FRB两种蛋白会单独存在,但是一旦加入雷帕霉素,它就与两者结合,将这两种蛋白质一起拉成复杂的复合物。Inoue说,设计一种蛋白质以便形成水凝胶的正确物理结构,这个过程需要大量的试验。

为了在活细胞中构建iPOLYMER,研究人员设计了含有两种由串联FKBPs和FRBs组成的蛋白串,然后添加了在活细胞中不常见的雷帕霉素。通过在显微镜下观察这些细胞,他们添加了雷帕霉素,Inoue团队可以看到水凝胶的形成。

Inoue说:“据我们所知,这是第一次有人用这种方法在活细胞中制成水凝胶。

科学家正在改进iPOLYMER系统,使水凝胶将RNA分子整合到其结构中,使其更好地模仿人类细胞中所见的应力颗粒。科学家还希望创建一个系统,在这个系统中,蛋白质FKBP和FRB形成液滴,从而可以比较液滴和蛋白质结构的水凝胶形式的影响。


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