使用他们开发的强大单分子成像方法，麻省理工学院和哈佛大学的Broad研究所研究团队揭示了某些癌症相关蛋白在活细胞中如何相互作用的动态视图。该技术依赖于高度稳定的纳米粒子探针，能够长时间明亮地照亮单个分子。研究人员首次使用该方法观察到单个受体如何在细胞膜上移动，附着并释放其他受体，从而改变细胞内的信号传导。该研究发表于《Cell》杂志，展示了该方法在研究其他受体和分子以及改进药物筛选方面的潜力，以更好地理解疗法对活细胞的影响。研究负责人Sam Peng表示：“通过我们的光稳定探针，我们可以绘制出这些分子在其自然环境中的整个生命周期，并观察到前所未见的现象。”
分子电影
Peng的方法解决了现有单分子追踪中使用的对比剂（如染料）的问题。在用于激发这些染料的激光光下，染料会在几秒钟内烧尽，这种现象被称为光漂白，这意味着科学家只能用它们拍摄几张细胞受体的快照，而无法在整个信号传导过程中跟踪它们。为了获得更长久且丰富的视角，Peng的实验室开发了持久的探针，称为上转换纳米粒子，这些纳米粒子在激光激发下发出的信号持续稳定。这些纳米粒子含有稀土离子，能够持续发光数分钟、数小时，甚至可能数年。此外，通过改变离子的类型和剂量，科学家可以设计出发出多种颜色的探针，使得在一次实验中能够跟踪多个目标。
在当前研究中，研究人员旨在通过关注与多种癌症相关的EGFR细胞受体家族来发现新的生物学。他们与EGFR专家Matthew Meyerson和Heidi Greulich合作，了解EGFR受体需要配对或“二聚化”才能在细胞内启动信号传导，但他们希望深入了解这些配对的动态——受体与谁配对、保持多长时间以及如何找到新伙伴。
蛋白质配对的新视角
为更好地观察受体，研究团队定制了其上转换纳米粒子，以标记与癌症相关的EGFR和其他受体HER2和HER3，并用于跟踪活人细胞中的分子。研究发现，当被刺激分子激活时，EGFR受体可以配对并保持二聚化数分钟，这在传统染料中无法观察到。过度和持续的二聚化可能导致细胞生长过快和癌症。显微镜视频显示标记为粉色和绿色的上转换纳米粒子跟踪EGFR受体的二聚化过程。
当EGFR分子携带癌症相关突变时，这些二聚体变得更为稳定，且更稳定的突变与人类更强的癌症相关。此外，即便没有外部刺激促使其二聚化，突变受体也能形成稳定的二聚体。这一发现帮助解释了EGFR突变如何导致失控的细胞生长和癌症，并可能为针对这一过程的治疗提供线索。研究团队还发现了HER2和HER3如何与自身形成稳定配对的几项新惊人细节，这有助于阐明这些分子在相关癌症中的作用。
当研究团队在一次实验中标记所有三种受体时，他们观察到受体在细胞表面游走，寻找伙伴、解开配对，然后不断找到新伙伴的生动场景。除了深入了解EGFR生物学，科学家们希望其他领域的合作者也能运用他们的方法，提出关于其他感兴趣的蛋白的新科学问题。Peng表示：“我们认为这项技术可以在研究分子生物学方面具有变革性，因为它使动态生物过程能够在前所未有的时间尺度上以高时空分辨率进行观察。”他们还计划探索该方法在研究药物作用机制方面的应用，以揭示潜在疗法如何随时间改变单个分子。此外，他们将继续改进其方法，例如使探针更小、更亮并能够发出更多颜色。
博主点评： 这项研究不仅展示了单分子追踪技术的突破性进展，更为癌症相关蛋白的动态交互提供了全新的视角。随着研究的深入，期待这些技术能够在药物开发和个性化治疗中发挥更大作用，推动精准医疗的发展。