膜蛋白作為細(xì)胞膜的重要組成部份，參與許多細(xì)胞生物學(xué)過程，如細(xì)胞黏附、細(xì)胞訊號(hào)傳遞、積累和能量傳遞等。大多數(shù)質(zhì)膜蛋白質(zhì)被組織成簇來執(zhí)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(xié)作交流與執(zhí)行功能的平臺(tái)，有利于增強(qiáng)訊號(hào)傳遞效率和信息處理能力，進(jìn)而促使細(xì)胞生長發(fā)育、增殖、分化、凋亡等生物學(xué)過程。
深刻認(rèn)識(shí)膜蛋白動(dòng)態(tài)組織和生理功能之間的關(guān)系，急需對(duì)膜蛋白的集聚機(jī)制進(jìn)行全面解析。其實(shí)以前許多研究集中于功能性膜蛋白集聚的化學(xué)原理和機(jī)制；但是，因?yàn)閷?duì)膜蛋白集聚體大小、尺寸以及動(dòng)態(tài)的認(rèn)識(shí)非常有限，對(duì)于大多數(shù)膜蛋白來說，高度集簇化的產(chǎn)生制尚未被充分闡釋，非常是缺少關(guān)于膜蛋白集簇產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)過程和機(jī)制細(xì)節(jié)的直接證據(jù)。
近日，中國科大學(xué)成都應(yīng)用物理研究所王興達(dá)團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中科院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心趙亦楷博士在德國科學(xué)推動(dòng)會(huì)（AAAS）與中國科學(xué)技術(shù)商會(huì)（CAST）合作推出的第一個(gè)科學(xué)伙伴刊物刊物上發(fā)表了題為intobyEGFR的研究論文。通過使用高速、高幀率的轉(zhuǎn)盤式共聚焦顯微鏡對(duì)EGFR分泌過程進(jìn)行全面可視化剖析，闡明了EGFR質(zhì)膜集簇的動(dòng)態(tài)機(jī)制，為理解膜蛋白成簇分布特點(diǎn)提供了深遠(yuǎn)的洞察力。
在前期研究中，該團(tuán)隊(duì)研究人員借助超幀率成像技術(shù)闡明了多種膜蛋白，如GLUT1、EGFR、EpCAM和P-糖蛋白等，主要以納米級(jí)集簇的方式存在于質(zhì)膜中。隨即，研究人員致力闡明EGFR集聚的動(dòng)態(tài)過程和機(jī)制細(xì)節(jié)。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將膜蛋白分泌起源作為切入點(diǎn)，以研究膜蛋白集聚的動(dòng)態(tài)機(jī)制。首先，以生長因子受體蛋白EGFR為研究對(duì)象細(xì)胞膜蛋白，該團(tuán)隊(duì)借助高速、高幀率共聚焦顯微鏡對(duì)EGFR生物合成路徑及過程進(jìn)行了直接可視化，獲得了EGFR從合成到分泌到質(zhì)膜的整個(gè)過程的完整圖象，包括EGFR分泌位點(diǎn)的定位圖、EGFR質(zhì)膜上分布特點(diǎn)、EGFR集簇產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)過程。螢光共定位成像結(jié)果展示了新合成EGFR的亞細(xì)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(duì)EGFR在靜息細(xì)胞的頂膜和基底膜上的分布模式進(jìn)行剖析細(xì)胞膜蛋白，發(fā)覺EGFR在頂膜上產(chǎn)生比基底膜更大的集簇。為了剖析EGFR分泌與其質(zhì)膜成簇的相關(guān)性，研究人員對(duì)分泌囊泡與細(xì)胞膜融合的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，序列成像結(jié)果表明一個(gè)分泌囊泡與質(zhì)膜融合產(chǎn)生一個(gè)蛋白簇，證明EGFR分泌囊泡可能作為EGFR質(zhì)膜集簇的前體。
EGFR生物合成路徑的直接可視化
進(jìn)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(guī)格要小于基底膜附近囊泡規(guī)格。考慮到分泌囊泡是蛋白集簇的前提，以上結(jié)果則表明EGFR分泌囊泡本身的大小決定了EGFR集簇的規(guī)格。同時(shí)，研究人員闡明了EGFR分泌到細(xì)胞頂膜主要由高爾碳化物后囊泡介導(dǎo)。
鑒于肌動(dòng)蛋白被報(bào)導(dǎo)參與EGFR集簇的產(chǎn)生并對(duì)囊泡-質(zhì)膜融合具有調(diào)節(jié)作用，研究人員想曉得肌動(dòng)蛋白皮質(zhì)是否通過控制分泌囊泡與質(zhì)膜的融合方法來決定EGFR質(zhì)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(dòng)蛋白皮質(zhì)可能造成EGFR分泌囊泡與質(zhì)膜的融合滯留，進(jìn)而誘導(dǎo)產(chǎn)生更大的EGFR簇；EGFR在基底膜上的均勻分布可能歸因于規(guī)則排列的肌動(dòng)蛋白絲所誘導(dǎo)的融合釋放。那些數(shù)據(jù)為肌動(dòng)蛋白在EGFR質(zhì)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(zhì)膜融合的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)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(zhì)膜分布特點(diǎn)之間的相關(guān)性，加深了對(duì)EGFR集聚機(jī)制的了解，將有助于推動(dòng)我們對(duì)EGFR集聚相關(guān)生物風(fēng)波的理解，并為進(jìn)一步探討EGFR集聚的分子機(jī)制奠定基礎(chǔ)。重要的是，這項(xiàng)工作為研究膜蛋白成簇機(jī)制提供了新思路，有望解釋相當(dāng)一部份膜蛋白簇的產(chǎn)生機(jī)制，因而為膜蛋白調(diào)節(jié)的復(fù)雜生物學(xué)過程提供合理的解釋。
本文第一作者為中國科大學(xué)成都應(yīng)用物理研究所徐海嬌博士。中國科大學(xué)成都應(yīng)用物理研究所王興達(dá)研究員和中科院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心趙亦楷博士為共同通信作者。
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