J. Phys. Chem. B | 利用单分子荧光成像揭示细胞蛇组成蛋白CTPS和P5CS的协同组装机制

英文原题：Single-Molecule Fluorescence Imaging Reveals Co-assembly of CTPS and P5CS

通讯作者：谭硯文（复旦大学物理系，应用表面物理国家重点实验室，上海市超构表面光场调控重点实验室，中国上海，200433）

作者：常健、袁威杰、高晨迪、张波、刘冀珑、陈国颂

研究背景

蛋白质聚合物的组装在细胞的生长发育过程中至关重要。在结构上，微管和微丝利用聚合提升稳定性和机械强度，以维持细胞形态；在功能上，聚合物中蛋白质的密集堆积可以产生促进反应效率的群体效应，比如光捕获系统。

CTP合成酶（CTPS）的组装聚合物——“细胞蛇”受到广泛关注。CTPS负责CTP的从头合成，它也是治疗淋巴细胞白血病、非洲昏睡病等疾病的潜在靶点。尽管活体实验与冷冻电镜等揭示了CTPS细胞蛇与多种代谢酶间存在空间共定位关系，以及各自的高精度结构，但其结构是否交互成型以及聚合的动态过程仍属未知。本工作利用单分子荧光成像方式揭示了它们之间的协同组装机制，对理解更广泛的蛋白酶协同作用原理有很重要的意义。

快讯亮点

近日，复旦大学谭砚文教授在JPCB上发表了利用单分子荧光成像揭示CTPS和与其相关代谢酶P5CS的协同组装机制研究。基于单分子荧光漂白分析，定量获得了不同条件下的CTPS和P5CS的寡聚态分布，发现了CTPS倾向于以二聚体及四聚体为自组装的基本单元，而P5CS则不具有特定的寡聚态倾向。而 CTPS和P5CS相互作用时的结合呈现2：1的关系。不仅如此， CTPS在自组装过程中同时向纤维的两端延伸，而P5CS则只从成核后的一侧有极性地延伸。

图1.利用单分子荧光漂白技术分析CTPS和P5CS在不同条件下的寡聚态分布。a,一个典型单分子荧光漂白台阶曲线。b, 结合CTPS-mCherry的荧光发光率（maturation ratio ≈ 58%），计算出的寡聚态分布。在合成条件下二聚和四聚体分布显著。c, mVenus-P5CS的寡聚态分布，（maturation ratio ≈ 100%）。d, CTPS和P5CS相互作用时的结合比例分布，基于两者的荧光发光率，结合比例为2:1。

图2. CTPS和P5CS的自组装和协同组装的实时动态过程。a, CTPS的自组装，纤维从两端延伸。b, P5CS的自组装，纤维形成有极性。c,协同组装动态过程可以分解成P5CS（绿色）解聚、CTPS（红色）聚合、以CTPS为基础的CTPS与P5CS协同聚合。d, 推断的CTPS和P5CS自组装和协同组装机制。

总结与展望

基于单分子荧光成像技术，研究团队实时记录了CTPS和P5CS的体外自组装和协同组装动态过程，发现两者之间自组装指向性存在明显差异以及协同组装时CTPS作为成核核心协助P5CS聚合的新机制。为两者之间直接结合提供了有力证据，而所形成的复合物有可能提升了代谢产物的生产效率。本文实验结果更为其它更广泛的蛋白酶协同聚合过程的实时可视化分析奠定了一定基础。

相关论文发表在JPCB上，复旦大学博士生常健、袁威杰为文章的共同第一作者， 谭砚文教授为通讯作者。

通讯作者信息

谭砚文，女，台湾大学物理系本硕，哥伦比亚大学博士。博士后期间，先后在加州伯克利大学与普林斯顿化学系，以单分子荧光光谱学方法，研究蛋白质分子构象动力学。2010年加入复旦大学物理系，课题组持续以单分子荧光方式探索与信号蛋白以及蛋白酶有关的功能与动力学问题，并开发与单分子有关的新技术。

转自：“ACS美国化学会”微信公众号

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