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光控工具可用于揭示蛋白质功能的秘密

2019-04-29 10:52:36 • 来源：

加州大学旧金山分校的科学家发明了一种技术，通过在蓝光照射下将它们分开，可以精确地，可逆地破坏特定细胞蛋白在微观尺度上的作用。研究人员设想了该技术在细胞生物学研究中的大量应用。

光控工具可用于揭示蛋白质功能的秘密

“后基因组时代的一个挑战是弄清楚特定蛋白质在细胞中的作用，以及它们何时何地发挥作用，这是基因敲除无法实现的，”Torsten Wittmann博士，教授说。在加州大学旧金山分校牙科学院的细胞和组织生物学系。“在这里，我们展示了一种在活细胞内急剧，局部和可逆地灭活特定蛋白质的新方法，应该能够解决许多这些问题。”

在2018年1月29日发表在Nature Cell Biology上的一篇新论文中，Wittmann的团队使用这种新工具首次证明癌细胞迁移取决于细胞动态骨架成分(称为微管)的生长能力在细胞运动的方向上，这一发现对科学家对细胞迁移的理解有潜在影响，并有可能开发出阻断癌症转移的新疗法。

近年来，生物学家开发了许多工具，允许他们用光来操纵细胞。这些技术统称为“光遗传学”，最初涉及将特定的光敏蛋白质遗传引入脑细胞，让研究人员用光激活细胞。相比之下，新的光灭活技术让研究人员可以在任何类型的细胞中对大量不同的蛋白质进行光敏感，并允许它们在严格控制的细胞区域内快速切换蛋白质的功能。使其成为推动我们细胞生物学知识的极其强大的工具。

新技术依赖于一对叫做LOV2和Zdk1的蛋白质，它们在黑暗中结合在一起，但在暴露在蓝光下时像一对乐高积木一样分开。(LOV2来自燕麦植物，它涉及向光性 - 植物向光源生长的能力。)通过将这两种蛋白质 - 研究人员称之为“光失活元素” - 插入其中的关键结构位点。通过基因工程研究更大的蛋白质，研究人员可以将蛋白质分成两部分，并在暴露于蓝光时变得不活跃。

在这篇新论文中，该研究的第一作者，博士后研究员Jeffrey van Haren博士使用该技术研究了微管在细胞移动能力中的作用。在小细胞肺癌细胞中，研究小组将LOV2和Zdk1插入到蛋白质EB1中，这是微管生长的重要调节因子，并表明用蓝光照射细胞的任何部分都可以在照射区域内在几秒钟内减缓微管的生长(见视频)。当灯关闭时，EB1分子也在几秒钟内回到一起，并使微管生长恢复正常。

Wittmann说，以前，该领域曾将细胞肌肉肌动蛋白细胞骨架视为细胞迁移的关键因素，但是UCSF团队发现它们可以通过阻止细胞生长到迁移细胞的前沿来逆转细胞的方向。在这一发现的戏剧性展示中，研究人员表明，他们可以通过在虚拟的光笼中围绕它来完全捕获迁移的癌细胞。

“我们相信这种策略对于产生许多其他光灭活蛋白很有用，”Wittmann说。“很多细胞蛋白质是模块化的，与由非结构化的接头一起束缚大折叠结构域。通过代替这些接头的插入光灭活元件，我们应该能够作出任何此类蛋白质敏感的光”。

Wittmann将新光灭活技术的速度和可逆性与现有的基因敲除方法进行了对比，其中研究人员从细胞或整个动物中消除特定基因，以研究它们产生的蛋白质的功能。但研究人员认为，在这些实验中蛋白质水平可能需要数天或数周才能改变，Wittmann说，这可能会让细胞有时间适应并改变它们对这些遗传操作的反应。

“照片失活让我们能够实时关闭活细胞中的蛋白质，并且比以前更加空间准确，”Wittmann说。“我希望这成为任何有兴趣了解这些微小分子机器如何使我们体内每个细胞发挥作用的人的关键工具。”

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