见微知著:单分子力谱技术窥探蛋白质分子动态功能

蛋白质的动态功能调控并决定着细胞的生理和病理过程。其不仅受到蛋白质本身生物化学特性的影响,还受到生物体内复杂的生物力学微环境的动态调控。这些生物力因素主要通过耦联生物化学特性来改变蛋白质的动态相互作用、构象变化以及后续的信号传导。近些年来,单分子力谱检测技术突破了传统生物化学技术的限制,在单分子水平有效地研究生物力学——化学耦联调控下的蛋白质动态功能。本文详细介绍了4种代表性的单分子力谱检测技术(原子力显微镜、光镊、生物膜力学探针以及磁镊),着重介绍这些技术在蛋白质动态功能研究方面的典型应用,主要包括蛋白质动态相互作用,蛋白质动态构象变化以及信号传导等。同时,本文还介绍了几种常用的基于上述单分子检测技术的单分子力谱检测方法,主要用于定量检测蛋白质相互作用、构象变化等生物化学过程的分子动力学参数。最后,本文还简要讨论了单分子力谱检测技术的未来发展方向,特别是如何与其他研究手段的有机整合,更全面地研究蛋白质的动态功能。我们希望该综述能够给更多的生物化学家带来新的概念和工具,帮助更全面地研究蛋白质的动态特性。     

原子力显微镜单分子力谱研究生物分子间相互作用

原子力显微镜单分子力谱是近年来发展起来的能在单分子水平研究生物分子相互作用的新工具。本文综述了单分子力谱的测定原理、方法及其在研究蛋白．蛋白、蛋白-DNA相互作用,蛋白质去折叠和活细胞上配体／受体结合中的应用进展。     

单分子荧光检测技术的发展及其在植物生物学研究中的应用

单分子荧光检测技术是利用荧光基团对目的分子标记后,在单分子水平成像并追踪分子的构象变化、动力学特征以及分子之间相互作用的研究方法.相较于传统分子生物学和遗传学的研究手段,单分子检测技术可以对单个分子的动态和特性进行分析,特别是瞬时或偶发性的事件,从而更加深入地挖掘在群体测量中被掩盖的信息.该技术已广泛应用于动物细胞生物...     

光镊技术在生物学中的应用新进展

对流体中的微纳米材料、细胞、生物分子等进行高精度、高灵活性、无损伤操控的技术在生物医学、生物化学、纳米科学等领域的发展中有着重要的作用。作为捕获和操控的核心技术,光镊的发展和应用也越来越广泛。本文系统地描述了各类光镊的工作原理和独特功能,阐述了不同光镊技术在生物学上的应用,讨论了它们在生命科学的发展前景。     

RAS-RAF蛋白相互作用结构域的单分子力谱分析北大核心CSCD

利用自行构建的光镊系统,通过in vitro单分子力谱测量,在单分子水平研究了RAS/RAF/MEK/ERK信号传导通路中的重要信号传导蛋白RAF与其上游G蛋白RAS结合的势垒形态。RAS与野生型RAF的单分子结合力分布情况显示,RAS-RAF结合至少涉及RAS结合区(RAS binding domain,RBD)及半胱氨酸富集区(cysteine rich domain,CRD)两个作用位点。而RAS与RAF突变体RAF(Q257R)的单分子结合力分布,存在两个以上的结合域:最可几力为95 pN的包络对应RAS-RAF[RBD]结合;最可几力为117 pN的包络对应RAS-RAF[CRD]结合;最可几力为159 pN的包络对应RAS-RAF[RBD]和RAS-RAF[CRD]同时存在(叠加)时的相互作用。而且在大于200 pN的范围(光镊有效量程之外),RAS与RAF(Q257R)的结合力仍然有相当的概率分布。这说明,突变体RAF(Q257R)比其野生型更易于与RAS结合,且可能涉及新的结合位点。该发现对解释Q257R的致病机理及设计拮抗剂均有重要指导意义。     

单分子光镊技术在生命科学中的应用

单分子光镊技术是近年来发展起来的一种新型的高分辨率光学技术,可以在单分子水平上实时观测并研究生物大分子或复合物相互作用的动态行为。光镊次毫秒级的时间分辨率和皮牛顿的力分辨率可使我们精确获得中间态、折叠速率(两态迁移速率)、作用力、能量、距离等重要的动力学信息;不同于传统的结构生物学方法,光镊实验是在生理条件下进行的,这些优势都使得光镊技术成为生物物理学领域一项不可或缺的技术手段。该文将主要针对这项单分子光学技术的原理及其在生物动力学上的应用和发展前景作简要介绍。     

蛋白片段互补分析方法及其应用北大核心CSCD

蛋白片段互补分析技术是近年发展起来的一种分析蛋白质-蛋白质相互作用的新方法。典型的蛋白片段互补分析技术已经成功地利用二氢叶酸还原酶,β-内酰胺酶,绿色荧光蛋白以及荧光素酶片段互补进行胞内蛋白分子相互作用研究。这一技术不仅可以动态、定位分析细胞内蛋白质分子相互作用、绘制细胞内信号传导、蛋白质生物化学网络,还可以应用到蛋白质文库、cDNA文库和高通量药物筛选等。综述了蛋白片段互补分析技术的原理、方法及其应用。     

microRNA调控的生物网络

生物网络是生物体内各种分子通过相互作用来完成各种复杂的生物功能的一个体系。网络水平的研究,有助于我们从整体上理解生物体内各种复杂事件发生的内在机制。microRNA（miRNA）是一类在转录后水平调控基因表达的小RNA分子。研究结果表明,miRNA调控的靶基因分布范围很广,因此必然与目前所研究的生物网络有着各种各样的联系。对这种关系的揭示,将对阐明miRNA的调控规律起到重要的作用。本文重点讨论了miRNA调控的基因调控网络、蛋白质相互作用网络以及细胞信号传导网络的特征。此外,还总结了miRNA调控的网络模体（motif）和miRNA协同作用网络的特征。     

荧光单分子检测技术在生命科学中的应用

荧光单分子检测技术是用荧光标记来显示和追踪单个分子的构象变化、动力学,单分子之间的相互作用以及单分子操纵的研究。过去对于生命科学分子机制的研究,都是对分子群体进行研究,然后平均化来进行单分子估测。因此,单个分子的动态性和独立性也被平均化掉而无法表现出来。荧光单分子检测技术真正实现了对单个分子的实时观测,将过去被平均化并隐藏在群体测量中不能获得的信息显示出来。近几年来,荧光单分子检测技术的飞速发展,为生命科学的发展,开辟了全新的研究领域。现就荧光单分子检测技术在研究动力蛋白、DNA转录、酶反应、蛋白质动态性和细胞信号转导方面的应用进展作一综述。     

基于荧光蛋白的荧光共振能量转移探针的构建及应用

荧光共振能量转移(fluorescence resonance energy transfer,FRET)是基于荧光基团供体和荧光基团受体间偶极子–偶极子耦合作用的非辐射方式的能量传递现象。基于荧光蛋白的FRET技术已被广泛用于研究细胞信号通路中蛋白质–蛋白质活体相互作用检测、蛋白质构象变化监测以及生物探针的研制中。基于荧光蛋白的荧光共振能量转移探针使得人们可以在时间和空间层面上研究细胞信号的转导过程。该文简要介绍了四大类基于荧光蛋白的FRET生物探针的设计、研制以及其在生物信号分子检测、活细胞成像以及药物筛选中的应用和进展情况。     

绿色荧光蛋白在蛋白质研究中的应用

绿色荧光蛋白（green fluorescent protein,GFP）自发现以来,由于具有自发荧光等特性,在分子生物学和细胞生物学领域得到广泛应用。GFP作为一种报道分子,在研究蛋白质相互作用和构象变化、检测蛋白质表达、蛋白质和细胞荧光示踪中,起到了重要的作用。该文通过对绿色荧光蛋白特性的分析．介绍其作为荧光标记在蛋白质研究中的应用,并展望进一步的研究前景。     

光学显微镜技术在活细胞单分子检测中的应用

单分子检测是一门以高度的时间以及空间分辨率研究生物单分子的技术。近来,科学技术的探索发展使我们可以观察、检测甚至操纵单个分子并且研究它们的构象变化和动力学行为。这一发展使得以前被传统系综研究体系平均化所隐藏的新信息被揭示出来。单分子检测技术的发展已经揭开了生命科学研究的新篇章。在本文中,我们将介绍有关活细胞中单分子检测技术的发展以及活细胞内单分子检测的现状。     

太赫兹(THz)光谱在生物大分子研究中的应用

太赫兹(THz)辐射是一种新型的远红外相干辐射源,近年来,在生物大分子研究中得到了广泛的应用,特别是在生物分子的结构和动力学特性等方面有着巨大的应用潜力.结合THz光谱的特点,介绍了利用THz光谱对蛋白质、糖类及DNA等生物大分子的探索研究,以及THz技术在测定水环境与生物分子相互作用等方面的应用.探讨了该技术在生物学领域应用中有待解决的问题及发展前景.     

生物分子相互作用分析技术应用实例（二）——多聚物和转录蛋白的研究

BIA技术(biomolecular interaction analysis)即生物分子相互作用分析技术的应用范围相当广泛.这里介绍利用BIAcore研究信号传导中各蛋白质之间的相互作用及多聚物的形成及机理以及转录调节蛋白与启动子（DNA）的研究.     

单分子层次上相互作用自动检测

任何生命过程都与分子间相互作用有关。这些相互作用决定了生物分子间的＂交流＂方式,组成了生物过程的基本语言。Müller教授研究组发展了一种全自动＂机器人＂（一种全自动原子力显微镜）,可以通过检测细胞上的＂分子机器＂分析分子间相互作用。为了实现这样的目标,该仪器需要将不同的空间尺度联系起来：宏观尺度的悬臂利用其微观尺度的针尖与纳米尺度的蛋白质相接触,进而在亚纳米的尺度上定位与检测分子间相互作用。这项技术能够帮助人们以亚纳米尺度的分辨率定位细胞内分子机器的相互作用位置,并且观察分子间相互作用如何驱动这些分子机器行使功能。在药物筛选研究领域,该技术可以被用来检测配体以及抑制剂与蛋白质结合的位点和强度,还可以检测受体的不同功能状态。     

光生物学与光医学中的新技术及其应用

近几年内,光子生物学与光子医学发展非常快,本文主要从四个方面介绍了近期内在光子生物学与光子医学领城内取得的重要进展：(1)双光子技术,可检测胚胎活组织、确定生物的非损伤激发光阈值、对人体肌纤维进行三维成像;(2)光镊技术,用于研究细胞的应变能力、细胞膜的弹性、跟踪并描述单个分子之间的结合以及操纵DNA分子;(3)光学探针技术,检测疾病、研究构象变化;(4)光学成像技术,主要集中介绍对肌动蛋白的成像方面。     

光镊探索DNA凝聚过程

自从20年前光镊技术被Ashkin、Chu及其同事发明[1],该技术已被应用于各种生物学研究并由此获得丰富信息.例如应力下生物高分子的行为[2],DNA连接酶如何译码或如何消化DNA[3～6],动力蛋白如何沿分子轨道移动[7～8],以及RNA和蛋白质分子如何折叠/展开[9～11].通过对单个分子的操纵,光镊技术可用于探索这些生物系统在分子层面的工作模式.在本期222页,Case等描述了该技术的另一精巧应用.揭示了凝聚子蛋白质如何产生紧凑形式的DNA[12].     

现代系统生物技术与图式遗传学

基因组程序化表达调控与生物体形态结构发生的相互对应是图式遗传学和系统生物技术研究复杂生物系统的核心。基因-蛋白质表达与神经-内分泌信号,构成生物系统发生演变的双向调控过程是生物信息控制系统的结构、功能和演变的基础。细胞信号传导与基因差异表达调控是从基因、细胞到器官的细胞动力学转换系统,是基因、蛋白质、脂类等生物高分子相互作用与细胞再生、分化、迁移、凋亡的程序化调控节律,也就是基因定位图谱-细胞定位图谱的基因组-蛋白质组与生物体的细胞节律-形态的发生转换过程。     

AFM单分子力谱技术及其在活体细胞和菌体表面生物大分子研究中的最新进展

生命活动过程与生物分子内或生物分子间机械力的作用密不可分.原子力显微镜具有极高的力学分辨率,可以在近生理条件下对生物样品进行力学测量,是研究生物体系力学相互作用的理想工具.基于原子力显微镜的单分子力谱(AFM-SMFS)技术可以在单分子、单细胞水平测量生物分子内或生物分子间的相互作用.本文首先扼要介绍了AFM-SMFS技术,包括AFM-SMFS的基本原理、力谱测量及分析方法(蠕虫链模型、自由连接链模型和自由旋转链模型)以及探针的化学修饰方法(硅/氮化硅探针和镀金探针的修饰);重点介绍了利用AFM-SMFS技术对活体细胞表面蛋白(转化生长因子β1、CD20、热休克蛋白以及蛋白酪氨酸激酶)和糖类分子(葡萄糖和甘露糖)的近期研究进展;随后介绍了利用AFM-SMFS技术对活菌体表面蛋白(肝素结合血凝黏附素和Als5p黏附蛋白)和糖类分子(半乳糖、甘露糖、B族碳水化合物、荚膜多糖、α-甘露聚糖、β-甘露聚糖、β-葡聚糖以及几丁质)的近期研究进展;最后对AFM-SMFS技术的缺点和发展前景进行了总结和展望.     

蛋白质相互作用研究的新技术与新方法

目前,蛋白质相互作用已成为蛋白质组学研究的热点. 新方法的建立及对已有技术的改进标志着蛋白质相互作用研究的不断发展和完善．在技术改进方面,本文介绍了弥补酵母双杂交的蛋白定位受限等缺陷的细菌双杂交系统;根据目标蛋白特性设计和修饰TAP标签来满足复合体研究要求的串联亲和纯化技术,以及在双分子荧光互补基础上发展的动态检测多个蛋白质间瞬时、弱相互作用的多分子荧光互补技术．还综述了近两年建立的新方法：与免疫共沉淀相比,寡沉淀技术直接研究具有活性的蛋白质复合体;减量式定量免疫沉淀方法排除了蛋白质复合体中非特异性相互作用的干扰;原位操作的多表位－配基绘图法避免了样品间差异的影响,以及利用多点吸附和交联加固研究弱蛋白质相互作用的固相蛋白质组学方法.