單分子水平下觀察對轉運蛋白的功能和工作機制

　　就能一艘能夠幫助乘客過河的船一樣，轉運蛋白（transporters）能運輸物質跨越細胞膜，這一過程對于從細菌到人類等多種有機體細胞的健康功能至關重要，此前研究人員僅能通過與這些轉運蛋白一起發揮作用的成百上千個轉運蛋白的行為中推斷出其功能，近日，一項刊登在國際雜志Nature上的研究報告中，來自圣猶大兒童研究醫院等機構的科學家們通過研究開發了一種新技術，其能在單分子水平下對轉運蛋白的功能和工作機制進行研究。

圖片來源：St. Jude Children's Research Hospital

　　研究者Scott Blanchard博士表示，通過觀察單分子水平下的活性，我們就能夠闡明轉運蛋白活性背后的部分機制，這對于后期進行該家族中許多臨床相關蛋白的研究至關重要。這項研究依賴于一種名為單分子熒光共振能量轉移（smFRET，single-molecule fluorescence resonance energy transfer）的技術，其能幫助研究人員收集來自單一轉運蛋白活性的精確測定數據，同時該技術還是研究疾病作用機制和突變發生機制的有力工具，其能在全球少數實驗室中使用。

　　此前的單分子技術僅能測定所謂的“離子通道”的活性，這種離子通道能允許帶電顆粒穿過細胞膜。這些單分子方法能夠徹底改變研究人員對離子通道的理解，但由于其運輸物質的多樣化及相對較慢的運輸速率，這種新型的smFRET技術則能更加高效地對多種轉運蛋白進行研究。

　　神經遞質-鈉協同轉運蛋白（NSS，Neurotransmitter： sodium symporters）是一種轉運蛋白家族，其在大腦中尤為突出，能將分子運輸到細胞內外；在人類機體中，用于運輸神經遞質去甲腎上腺素和血清素的NSS能作為幾乎所有抗抑郁癥藥物開發的靶點，而負責運輸多巴胺的NSS則是苯丙胺和可卡因的關鍵靶點；理解這類蛋白及其發揮功能的機制對于研究人員開發新型療法并理解藥物藍用的機制至關重要，同時還能幫助改善靶向作用這些轉運蛋白的療法的作用效率。

　　隨后研究人員利用smFRET來研究細菌中NSS蛋白的親屬：MhsT轉運蛋白，其能運輸氨基酸跨越細胞膜，研究人員想通過研究理解轉運過程中最緩慢的部分，即速率限制步驟（stp-limiting step），研究人員驚訝地發現，MhsT轉運蛋白的限速步驟對于不同的“貨物”是不同的。

　　為了運輸分子跨越細胞膜，轉運蛋白必須改變形狀，使其既能撿起細胞外的物質，也能在細胞內釋放物質，研究者發現，循環過程中最緩慢的部分是將形狀轉變回細胞外部的過程，此時轉運蛋白被認為是空載了一部分“貨物”。研究者Jonathan Javitch博士表示，由于不同的貨物擁有不同的緩慢步驟，研究結果表明，“返回”的步驟或許并不是空的，這就與與轉運蛋白上的次級結合位點的其它證據相吻合，這或許才是調節轉運蛋白活性的關鍵。

　　最后研究者表示，更好地深入理解NSS蛋白家族中次級結合位點的功能相關性或能幫助研究靶向作用這些轉運蛋白的藥物的藥理學作用機制和效率。