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布法罗大学物理学家正在使用创新工具来研究可能在疾病中发挥作用的奇异类分子的特性:聚集在一起形成人体细胞内的球形液滴的蛋白质。

科学家的最新研究揭示了驱使这些液滴从流体,液态转变为更硬的凝胶状态的条件。

该研究发表于2月19日的“ 生物分子 ”杂志上,作为特色文章发现,某些蛋白质水滴变硬,在拥挤的环境中变得凝胶状(例如存在大量其他分子的试管,模仿活细胞内的拥挤状况)。

“这些形成液滴的蛋白质是一个相对较新的研究领域,因此我们对其基本特性知之甚少,”首席研究员,UB艺术与科学学院物理学助理教授Priya R. Banerjee博士说。“作为物理学家,我们想要量化这些液滴的动力学并了解影响它们的因素。这很重要,因为蛋白质液滴的动力学是其细胞功能和功能障碍的关键。

“之前的研究主要关注蛋白质本身的结构,但我们的工作表明环境因素同样重要。我们发现外部条件可以改变液滴的内部状态,这可能会影响它们在人体细胞中的功能。”

研究很重要,因为缩合蛋白可能与健康和疾病有关。最近的研究指出这些液滴在基因表达,应激反应和免疫系统功能等多种功能中的潜在作用。

这篇新论文研究了一种叫做融合在肉瘤(FUS)中的液滴形成蛋白。Banerjee说,液体FUS液滴存在于正常脑细胞中,但在一些患有神经退行性疾病肌萎缩侧索硬化症(ALS)的患者中,蛋白质形成固体物质的聚集体。目前还不清楚为什么。

使用激光来镊子和戳蛋白质液滴

该研究采用了两种创新技术来展示环境条件如何影响由FUS或其他相关蛋白质制成的液滴。

在一组实验中,科学家使用高度聚焦的激光束(称为光学镊子)来捕获并将两个漂浮在液体缓冲溶液中的蛋白质液滴推到一起。

当缓冲液与其他惰性离聚物分子如聚乙二醇(PEG)稀释时,蛋白质液滴容易合并形成单个较大的液滴。但是当缓冲液中PEG或其他化学物质的浓度增加时,蛋白质液滴变得更加凝胶状并且不会完全结合。

在第二组测试中,该团队以不同的方式使用激光 - “激光戳” - 研究FUS和相关蛋白质液滴如何对拥挤的环境做出反应。

在这些实验中,Banerjee及其同事在单个液滴中将荧光标记附着在众多蛋白质分子上,使蛋白质发光。然后研究人员用高强度激光“探测”液滴中间,这一过程导致激光击中的任何荧光分子永久变暗。

接下来,科学家测量了新的发光蛋白质进入黑暗区域需要多长时间。这种情况很快发生在漂浮在人口稀少的缓冲溶液中的蛋白质液滴中。但悬浮在含有PEG或其他化合物的缓冲溶液中的液滴的恢复时间明显变慢 - 这再次表明蛋白质液滴在拥挤的环境中变成凝胶状。该研究结果适用于具有不同一级结构的FUS和其他相关蛋白质液滴。

“我们的实验是在试管中完成的,但我们的结果表明,在活细胞内,拥挤状态可能会影响蛋白质液滴的动态,”Banerjee说。

剩下的一个重要问题是FUS液滴的流动性是否以及如何影响蛋白质形成固体团块的能力,如一些ALS患者所见。Banerjee希望通过未来的研究来解决这个问题。

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