膜蛋白作為細胞膜的重要組成部份，參與許多細胞生物學過程，如細胞黏附、細胞訊號傳遞、積累和能量傳遞等。大多數質膜蛋白質被組織成簇來執行其重要的生理功能。膜蛋白集簇是同種或異種膜蛋白之間協作交流與執行功能的平臺，有利于增強訊號傳遞效率和信息處理能力，進而促使細胞生長發育、增殖、分化、凋亡等生物學過程。
深刻認識膜蛋白動態組織和生理功能之間的關系，急需對膜蛋白的集聚機制進行全面解析。其實以前許多研究集中于功能性膜蛋白集聚的化學原理和機制；但是，因為對膜蛋白集聚體大小、尺寸以及動態的認識非常有限，對于大多數膜蛋白來說，高度集簇化的產生制尚未被充分闡釋，非常是缺少關于膜蛋白集簇產生的動態過程和機制細節的直接證據。
近日，中國科大學成都應用物理研究所王興達團隊，聯合中科院分子細胞科學卓越創新中心趙亦楷博士在德國科學推動會（AAAS）與中國科學技術商會（CAST）合作推出的第一個科學伙伴刊物刊物上發表了題為intobyEGFR的研究論文。通過使用高速、高幀率的轉盤式共聚焦顯微鏡對EGFR分泌過程進行全面可視化剖析，闡明了EGFR質膜集簇的動態機制，為理解膜蛋白成簇分布特點提供了深遠的洞察力。
在前期研究中，該團隊研究人員借助超幀率成像技術闡明了多種膜蛋白，如GLUT1、EGFR、EpCAM和P-糖蛋白等，主要以納米級集簇的方式存在于質膜中。隨即，研究人員致力闡明EGFR集聚的動態過程和機制細節。研究團隊創新性地將膜蛋白分泌起源作為切入點，以研究膜蛋白集聚的動態機制。首先，以生長因子受體蛋白EGFR為研究對象細胞膜蛋白，該團隊借助高速、高幀率共聚焦顯微鏡對EGFR生物合成路徑及過程進行了直接可視化，獲得了EGFR從合成到分泌到質膜的整個過程的完整圖象，包括EGFR分泌位點的定位圖、EGFR質膜上分布特點、EGFR集簇產生的動態過程。螢光共定位成像結果展示了新合成EGFR的亞細胞定位以及其分泌路徑。研究者借助五色三維(3D)共聚焦成像對EGFR在靜息細胞的頂膜和基底膜上的分布模式進行剖析細胞膜蛋白，發覺EGFR在頂膜上產生比基底膜更大的集簇。為了剖析EGFR分泌與其質膜成簇的相關性，研究人員對分泌囊泡與細胞膜融合的動態過程進行實時檢測，序列成像結果表明一個分泌囊泡與質膜融合產生一個蛋白簇，證明EGFR分泌囊泡可能作為EGFR質膜集簇的前體。
EGFR生物合成路徑的直接可視化
進一步，研究人員深入探究了決定EGFR分布模式差別性的主要誘因。共聚焦3D斷層成像表明近頂膜分泌囊泡規格要小于基底膜附近囊泡規格。考慮到分泌囊泡是蛋白集簇的前提，以上結果則表明EGFR分泌囊泡本身的大小決定了EGFR集簇的規格。同時，研究人員闡明了EGFR分泌到細胞頂膜主要由高爾碳化物后囊泡介導。
鑒于肌動蛋白被報導參與EGFR集簇的產生并對囊泡-質膜融合具有調節作用，研究人員想曉得肌動蛋白皮質是否通過控制分泌囊泡與質膜的融合方法來決定EGFR質膜分布形貌。通過螢光三維共定位成像，研究人員闡明了近頂膜上致密而短小的肌動蛋白皮質可能造成EGFR分泌囊泡與質膜的融合滯留，進而誘導產生更大的EGFR簇；EGFR在基底膜上的均勻分布可能歸因于規則排列的肌動蛋白絲所誘導的融合釋放。那些數據為肌動蛋白在EGFR質膜組織中的作用提供了新的看法，表明其主要通過控制分泌囊泡-質膜融合的方式來實現對EGFR分布方式的決定性影響。
總而言之，該研究闡明了EGFR分泌與其質膜分布特點之間的相關性，加深了對EGFR集聚機制的了解，將有助于推動我們對EGFR集聚相關生物風波的理解，并為進一步探討EGFR集聚的分子機制奠定基礎。重要的是，這項工作為研究膜蛋白成簇機制提供了新思路，有望解釋相當一部份膜蛋白簇的產生機制，因而為膜蛋白調節的復雜生物學過程提供合理的解釋。
本文第一作者為中國科大學成都應用物理研究所徐海嬌博士。中國科大學成都應用物理研究所王興達研究員和中科院分子細胞科學卓越創新中心趙亦楷博士為共同通信作者。
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