了解蛋白质在细胞中工作时是如何弯曲、扭曲和变形的，对理解正常的生物学和疾病非常重要。但由于缺乏良好的蛋白质成像方法，对蛋白质动力学的深入理解通常是难以实现的。现在，北卡罗来纳大学医学院的科学家们首次发明了一种方法，可以使这一领域取得巨大的飞跃。
科学家们在《细胞》杂志上的一篇论文中描述了这种新的“结合标签”技术，它允许研究人员精确定位和跟踪处于理想形状或“构象”的蛋白质，并在活细胞内实时进行。从本质上说，科学家们在电影中演示了这项技术，它追踪了一种重要信号蛋白的活性版本——在这种情况下，这种分子对细胞生长很重要。
“还没有人能够开发出一种方法，以一种如此一般化的方式，实现这个方法的功能。所以我认为它会有非常大的影响，”研究的共同高级作者克劳斯·哈恩博士说，他是罗纳德·g·瑟曼杰出的药理学教授，也是北卡罗来纳大学医学院的北卡罗来纳大学奥林匹斯成像中心主任。
这项工作是由Hahn实验室和成像分析专家Timothy Elston的实验室合作完成的，Timothy Elston博士是北卡罗来纳大学医学院的药理学教授和计算医学项目的联合主任。他们都是北卡罗来纳大学莱恩伯格综合癌症中心的成员。
拍摄非常小的
和所有的生物成像技术一样，这种新方法解决了一个基本问题，即在活细胞中工作的许多分子无法用普通光学显微镜直接、精确地观察出来。在蛋白质作用的层面上，光以巨大的波浪流动，在物体周围弯曲，不能剧烈地渲染物体。
这个问题的一种方法,尤其是蛋白质需要在正常拍摄live-cell栖息地,与荧光标记目标蛋白质灯塔,所以至少可以看到灯塔的光排放和直接与显微镜捕获——例如地图的地方特定蛋白质在细胞工作。一种叫做FRET (Förster共振能量转移)的技术依赖于奇异的量子效应，它将一对这样的信标嵌入到目标蛋白质中，随着蛋白质构象的改变，目标蛋白质的光也随之改变。这使得蛋白质在细胞内变形时可以进行一些动力学研究。但是FRET和其他现有的方法存在局限性，例如荧光信号微弱，这极大地限制了它们的应用。
新的binder-tag方法从插入的小分子蛋白质被研究“标签”,和使用一个单独的分子结合标记只有当标记包含蛋白质需要一定的形状或构造,如蛋白质时主动帮助细胞执行特定的功能。在粘合剂和/或标签分子中放置适当的荧光信标，可以有效地让研究人员随着时间的推移，对特定构象中标记的蛋白质的精确位置进行成像。
该方法兼容的信标范围很广，包括比普通FRET需要的交互式信标对更高效的信标对。Hahn说，粘合剂标签甚至可以更容易地用于制造FRET传感器。此外，结合标签分子的选择是为了使细胞中没有任何东西可以与它们反应并干扰它们的成像作用。
根据Hahn的说法，最终的结果是一种稳健的技术，原则上可以处理以前无法触及的多种蛋白质动力学研究，包括对细胞中很少存在的蛋白质的研究。
在Cell的论文中，Hahn和他的同事讨论了几个原则性的论证。他们用这种新方法对一种名为Src的重要生长信号蛋白成像，以前所未有的细节揭示它是如何形成微小的活动岛屿的。这反过来又使研究人员能够分析影响蛋白质生物学作用的因素。
“通过这种方法，我们可以看到，例如，细胞内的微环境差异如何影响蛋白质的行为，通常是深刻的，”哈恩说。
现在，研究人员正利用这项技术绘制其他重要蛋白质的动态图谱。他们还做了进一步的演示，以展示如何定制结合标签来捕捉非常多样化的蛋白质结构和功能的动态，而不仅仅是像Src那样工作的蛋白质。
科学家们设想，结合标签最终将成为一种基本的技术，用于研究正常蛋白质、细胞内较大的多分子结构，甚至与阿尔茨海默病相关的功能失调蛋白质。
“对于许多与蛋白质相关的疾病，科学家们一直无法理解为什么蛋白质开始做错事，”哈恩说。“目前还没有能够帮助人们理解的工具。”
《细胞》杂志的这篇论文题为“基于肽暴露的生物传感器显示活细胞中的单分子构型”，作者包括刘贝、Orrin Stone、Michael Pablo、Cody Herron、Ana Nogueira、onur Dagliyan、Jonathan Grimm、Luke Lavis、Timothy Elston和Klaus Hahn。
这项研究由美国国立卫生研究院资助(R35GM122596, R35GM127145)。
