新型细胞膜模型可能是揭示新蛋白质特性的关键

作者：张馨予

细胞膜是细胞内部与其外部环境之间的壁状边界，主要由两种生物分子组成：脂质和蛋白质。不同的脂质种类紧密堆积在一起，形成了膜的基本结构的双层或“双层”，而蛋白质则嵌入或附着在双层中。

膜蛋白负责各种重要的细胞活动，其功能障碍可能导致严重的健康问题。研究膜蛋白结构及其行为将有助于科学家更好地了解其与疾病的联系，并有助于开发治疗方法。

由范德比尔特大学(Vanderbilt University)领导的一组研究人员最近阐明了膜蛋白如何受到其周围脂质的影响。通过开发新型的膜模型，科学家能够证明蛋白质的形状和行为可以通过暴露于不同的脂质成分而改变。

研究人员通过美国能源部(DOE)的布鲁克海文(BNL)和橡树岭国家实验室(ORNL)的X射线和中子散射证实了人造膜的结构。他们的发现发表在《美国化学学会杂志》上。

范德比尔特大学生物化学教授，该研究的相应作者查尔斯•桑德斯(Charles Sanders)说：“这项研究表明，蛋白质可以在不同的膜脂环境中发生非常深远的变化，我们认为这开启了一个全新的研究领域。”

脂质布局和细胞膜模型

细胞膜由多种脂质分子组成。最近，研究表明，细胞膜中的某些脂质可以聚在一起形成簇，也称为筏。一些科学家认为，木筏可能会在整个膜中移动，并与未分组的分子共存。桑德斯说：“脂筏就像是一个聚会上的集团。” “他们可能会在聚会中四处走动，但总是同一个人互相交谈。”

他的实验室正在探索筏如何影响膜蛋白和与其相关的细胞活动。在这项新工作中，桑德斯和一组研究人员创造了一种合成膜，该膜能够掺入大量构成细胞膜筏的两种脂质分子：胆固醇和鞘磷脂。他们的方法涉及开发被称为Bicelles的盘状生物结构，该结构可以产生细胞膜脂质双层的简化模型。

ORNL的生物物理学家兼中子散射科学家John Katsaras说：“胆固醇和鞘磷脂在细胞膜中普遍存在，但在以前的Bicelle版本中并未同时存在。” “这种新型的双细胞细胞具有我们认为在生物学上更相关的脂质成分。”

补充技术进行综合分析

研制出Bicell之后，研究人员使用小角度中子和X射线散射技术来精确确定材料的形状和结构组织。

范德比尔特大学研究与研究机构James Hutchison表示：“要确定Bicell的实际形态确实很困难。小角度中子和X射线散射是获得这些粒子的良好整体表征的唯一方法。” -作者。

该团队使用了用于小角度中子和X射线散射的联合访问程序，使研究人员可以更方便地在ORNL的高通量同位素反应堆(HFIR)的Bio-SANS仪器和Bio-SAXS仪器(LiX)上请求束流时间)在BNL的国家同步加速器光源II(NSLS-II)中。

中子可以检测氢等轻元素，而X射线对重元素更敏感，这意味着每种散射技术都可以揭示有关同一材料的独特信息。通过使用这两种方法，研究人员建立了更精确的膜系统模型。

ORNL 中子散射科学家，研究合著者Shuo Qian说：“中子散射和X射线散射是非常互补的。” “这些技术一起能够提供比塞勒结构的全貌。”

还使用范德比尔特大学的透射式冷冻电子显微镜对比刺进行了测量。

发现新的蛋白质特性

为了评估如何使用新型膜来了解脂质成分和膜蛋白之间的关系，科学家将他们的双细胞引入了经过充分研究的蛋白片段，称为C99。该片段构成了称为淀粉样蛋白前体蛋白的膜蛋白的一个区域，专家认为该蛋白与阿尔茨海默氏病有关。

研究小组使用各种表征方法，查明了嵌入新膜模型中的蛋白质片段的结构和动力学差异。值得注意的是，他们观察到C99片段在以前尚未在其他模型膜中报道的区域中彼此自缔合。研究人员假设这些新发现的结合位点可能在调节与此片段的其他蛋白质相互作用中发挥作用。

该小组旨在进行更多实验，以确认新的比塞勒系统是否具有脂质筏环境。科学家们已经在人造囊泡中确定了脂筏的性质，人造囊泡是由脂质双层包裹的球形空心生物结构，但在其他小颗粒(如双细胞)中却没有。

Hutchison说：“没有已知的具有脂筏样性质的非囊泡小颗粒。” “证明这一点将是灌篮。”