生物膜動態(tài)變化的分子機(jī)理與功能研究

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1、項(xiàng)目名稱：生物膜動態(tài)變化的分子機(jī)理與功能研究首席科學(xué)家：陳曄光清華大學(xué)起止年限：2010年1月-2014年8月依托部門：教育部一、研究內(nèi)容1.關(guān)鍵科學(xué)問題本項(xiàng)目將重點(diǎn)圍繞生物膜動態(tài)變化這一膜生物學(xué)研究的國際前沿領(lǐng)域，系統(tǒng)地開展生物膜動態(tài)變化分子機(jī)制的研究，并重點(diǎn)揭示生物膜動態(tài)變化在細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、能量代謝、增殖分化、物質(zhì)運(yùn)輸和循環(huán)利用等關(guān)鍵生命活動中的重要作用：（1）生物膜動態(tài)變化的分子機(jī)理細(xì)胞生命活動得以實(shí)現(xiàn)依賴于生物膜體系的動態(tài)特征：物質(zhì)動態(tài)交換及自身的更新與重構(gòu)。細(xì)胞內(nèi)各種生物膜體系始終處于不斷的形成、消失及重建過程之中。本項(xiàng)目將研究生物

2、膜動態(tài)變化的分子機(jī)理，尋找調(diào)控其變化的關(guān)鍵蛋白質(zhì)分子，研究蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間、蛋白質(zhì)與膜脂之間相互作用關(guān)系，從細(xì)胞質(zhì)膜、細(xì)胞器膜、核膜、細(xì)胞囊泡膜等方面闡明生物膜變化的分子機(jī)理。（2）生物膜動態(tài)變化在細(xì)胞生命活動中的作用生物膜在生命活動中承擔(dān)著重要的作用，其動態(tài)變化過程將廣泛地影響著細(xì)胞的各種功能。本項(xiàng)目將探索細(xì)胞囊泡膜與物質(zhì)運(yùn)輸之間的關(guān)系、生物膜動態(tài)變化對信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的影響、核膜的動態(tài)變化對細(xì)胞增殖的影響、細(xì)胞器膜與能量代謝的關(guān)系以及生物膜與物質(zhì)及細(xì)胞器的回收利用等相關(guān)膜生物學(xué)重點(diǎn)問題。2．主要研究內(nèi)容：（1）生物膜轉(zhuǎn)運(yùn)及其調(diào)控機(jī)制的研究致密核

3、心囊泡是神經(jīng)肽和激素轉(zhuǎn)運(yùn)的主要承擔(dān)者，對其轉(zhuǎn)運(yùn)過程機(jī)制和調(diào)控的研究，相對于突觸囊泡來言要少得多。我們將集中力量，主要研究以下方面的內(nèi)容：I.通過對一種高度保守定位于高爾基體的膜蛋白的研究來探索致密核心囊泡囊泡生成（biogenesis）和成熟（maturation）機(jī)制；II.錨定和激活是囊泡融合前的關(guān)鍵步驟，轉(zhuǎn)運(yùn)囊泡與靶膜（包括細(xì)胞質(zhì)膜和各細(xì)胞器膜）的特異性錨定是決定囊泡融合的時間、空間特異性和囊泡融合速率的重要因子，對其分子機(jī)制和調(diào)控的認(rèn)識還遠(yuǎn)未清楚。我們將選擇多種Rab蛋白及它們下游效應(yīng)物蛋白，研究它們在囊泡錨定中的作用、作用機(jī)制及其這

4、些分子的相互作用網(wǎng)絡(luò)；III.從半融合（hemi-fusion）機(jī)制、決定囊泡膜融合的SNARE復(fù)合物解聚合和各SNARE蛋白的循環(huán)利用等方面展開，對溶酶體膜不穩(wěn)定的分子機(jī)理進(jìn)行研究。（2）生物膜形態(tài)發(fā)生及維持的分子機(jī)制我們將以內(nèi)質(zhì)網(wǎng)網(wǎng)膜的形態(tài)為側(cè)重點(diǎn)，深入研究膜蛋白在塑造生物膜形態(tài)中的作用。具體包括：a).對有曲膜功能的成管膜蛋白的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行探究。酵母細(xì)胞的成管膜蛋白Yop1p和Rtn1p，雖然能被大量提純，但是很難被結(jié)晶，所以用X光衍射的方法解析其結(jié)構(gòu)不可行。我們將從Yop1p蛋白入手，在不同位點(diǎn)引入半胱氨酸，通過二硫鍵的形成與否，來

5、判斷氨基酸的側(cè)鏈?zhǔn)欠襦徑瑥亩鴣硗茰y這些膜蛋白的大致構(gòu)象，如穿膜螺旋的排列方式等。b).高等動物中的Atlastin-1蛋白及其酵母中的Seylp都是Dynamin家族中的嵌膜GTP酶，我們推測其可能參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)管狀網(wǎng)絡(luò)的形成，因此將對Dynamin家族嵌膜GTP酶影響膜形態(tài)的機(jī)制進(jìn)行研究。（3）生物膜組成成分的動態(tài)變化分析通過技術(shù)集成和條件優(yōu)化建立由高分辨質(zhì)譜、多維毛細(xì)管液相色譜、穩(wěn)定同位素標(biāo)記（如SILAC和iTRAQ等)和無標(biāo)記等組成的，能夠適合不同復(fù)雜程度的生物樣品（如組織樣本、細(xì)胞樣本）的定量（膜）蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)平臺。同時主要以生物膜

6、和線粒體為樣本，探索具有多次跨膜即高度疏水的膜蛋白和低豐度的膜蛋白質(zhì)譜鑒定方法，提高膜蛋白的鑒定率。另外，我們將開展不同生理狀態(tài)或生理過程（如發(fā)育、細(xì)胞分化）和不同病理狀態(tài)下，生物膜動態(tài)變化過程中，主要膜蛋白、亞細(xì)胞器蛋白質(zhì)組的表達(dá)水平的及其翻譯后修飾的動態(tài)變化規(guī)律分析研究。開展II糖尿病發(fā)病機(jī)制的相關(guān)膜蛋白研究及腫瘤相關(guān)重要膜蛋白或抗原的研究。（4）生物膜的動態(tài)循環(huán)與自吞噬調(diào)控自吞噬在很多不同的細(xì)胞器的產(chǎn)生、消失和再生之間起著重要的作用。我們最近發(fā)現(xiàn)在吞噬溶酶體形成之后，溶酶體的膜成分可以通過在吞噬溶酶體上形成一個管狀結(jié)構(gòu)而得以回收利用，最

7、后形成新的溶酶體，并發(fā)現(xiàn)這一過程受到mTOR激酶的調(diào)控。我們將系統(tǒng)、深入地對這一過程的分子機(jī)理進(jìn)行研究，主要包括：篩選出調(diào)控自吞噬性溶酶體再生的新基因并研究其調(diào)控作用；用數(shù)學(xué)建模和系統(tǒng)生物學(xué)的方法探討mTOR激酶、自吞噬及自吞噬降解產(chǎn)物的相互作用，闡釋自吞噬的自我調(diào)控過程。最新的研究結(jié)果表明，損傷了的線粒體會被自吞噬體特異性的識別并降解。（5）核膜的動態(tài)變化與細(xì)胞增殖調(diào)控細(xì)胞核內(nèi)外通過核孔復(fù)合體進(jìn)行著廣泛的物質(zhì)信息交流。這種交流對細(xì)胞基因的表達(dá)直至整個細(xì)胞生命活動均起著重要的調(diào)控作用。高等生物的核膜在細(xì)胞周期中還呈現(xiàn)解聚和重新裝配等動態(tài)變化。

8、因此，我們將主要研究：Ran，nucleoplasmin和importin-β與核膜和核孔復(fù)合體的裝配的關(guān)系；LBR（LaminBReceptor）、核纖蛋白及其結(jié)