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基于荧光纳米金刚石的三维单分子荧光成像

配体和受体分子结合是很多信号通路传导的开始事件,参与了细胞内许多重要的生理功能。配体和受体分子结合异常和很多疾病的发生密切相关。一些重大疾病如恶性肿瘤,其治疗的特异性靶点也是受体分子。因此,更加深入和详尽的了解配体和受体分子结合的规律对于生物和医学的发展具有重大意义。目前,常规分子生物学技术在解析配体和受体分子运动规律方面遇到了瓶颈。近年来,基于超衍射分辨率单分子显微成像技术的发展为人类更加精细、更加准确的解析配体和受体分子的运动规律提供了技术支持。该技术非常适合于在活体细胞内解析蛋白质分子之间的实时运动规律。单分子显微成像技术的关键在于使用具有优良荧光特性的材料标记目标靶分子。标记材料的荧光特性越好,其成像质量就越高,对靶分子的解析追踪精度就越高。纳米金刚石(50nm-100nm)经过高能射线照射后内部会产生带负电荷的氮-空位中心(NV centers),从而具荧光特性,这种纳米金刚石被称为荧光纳米金刚石(Fluorescent nanodiamonds,FNDs)。和其它荧光物质比,FNDs具有非常优秀的荧光光学特性,同时对细胞无毒,因此非常适合用于标记蛋白质分子用于荧光显微镜成像。


基于荧光纳米金刚石的三维单分子荧光成像


中南大学喻风雷、王理研究团队首次将荧光纳米金刚石用于配体和受体分子结合的三维单分子成像标记。他们首先将转化生长因子(TGF-β)标记上FNDs,然后使用3D单分子成像技术追踪解析TGF-β在活体细胞内配体和受体的结合过程,由于荧光纳米金刚石优异的光学性能从而获得了对TGF-β运动追踪在xy轴7nm、z轴16nm水平的极高的空间定位精度。通过此方法对TGF-β在活细胞内的实时解析发现:TGF-β运动呈现三中不同的运动状态,稳定状态、异常扩散状态和自由扩散状态。稳定状态可能代表TGF-β配体分子和受体分子结合形成复合物,此状态为激活状态;异常扩散状态被认为是由于大分子聚集造成,包括密度高的蛋白质、脂类和细胞器,此状态被认为是配体受体复合物后续的细胞内化处理;自由扩散状态代表未结合受体或其他蛋白质的配体分子。更有意义的是使用TGF-β受体的小分子抑制剂处理细胞以后,TGF-β受体的活性受到了抑制,直接影响了TGF-β的运动状态:TGF-β由稳定状态大量转换成异常扩散状态和自由扩散状态。这些结果表明荧光纳米金刚石可以应用于单分子成像技术来研究蛋白质和蛋白质的相互作用和运动规律,不仅如此通过这种技术还能很好的解析化合药物对蛋白质分子运动的影响,这对开发新的针对靶蛋白的特定药物提供了一种新的技术思路。相关文章发表在Advanced Functional MaterialsDOI: 10.1002/adfm.201502883)上。





基于荧光纳米金刚石的三维单分子荧光成像

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基于荧光纳米金刚石的三维单分子荧光成像基于荧光纳米金刚石的三维单分子荧光成像

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