小囊泡中的大学问——外泌体的前世今生

外泌体是一种直径为30~100 nm,主要由细胞内多泡体与细胞膜融合并释放到细胞外基质中的膜囊泡,可携带核酸、蛋白质等分子,具有强大的生物学功能。本文系统阐述了外泌体的发现历程、主要功能,及其在肿瘤生长、转移、免疫逃逸、诊断、治疗和在动脉粥样硬化、心肌梗死、心室重构、心脏再生等多种心血管生理和病理过程中的调控作用。总而言之,外泌体这个小小囊泡中蕴藏着大学问。     

非均相膜、非对称冠及膜冠融合高分子囊泡

高分子囊泡是通过自组装构筑的具有"空腔-内冠-膜层-外冠"结构的纳米材料,在药物控释、基因递送、细胞仿生、抗菌和癌症诊疗等领域具有重要的应用前景.然而,传统高分子囊泡具有对称的内外冠结构、均一且致密的疏水膜,以及相对离散的膜冠功能分区,不能充分发挥囊泡的结构优势,进而难以应对生物医用过程中所面临的种种挑战,如基因治疗中大分子的跨膜运输,癌症诊疗中对内冠诊断、外冠靶向的差异化要求,细菌感染治疗中对膜冠协同、高效抗菌的需求等.因此,我们提出并设计了非均相膜囊泡、非对称冠囊泡、膜冠融合囊泡,针对性地解决了以上3个难题,为设计、合成新结构高分子囊泡,并推动其转化应用提供了新思路.本文总结了以上3种新结构囊泡的研究进展,并提出了设计生物医用高分子囊泡的原则.     

外泌体:精准肿瘤学的明星

外泌体是指由细胞分泌具有生物活性的囊泡,它直径一般为30~150 nm,具有脂质双层膜.外泌体包含了分泌细胞的分子,如酯类、蛋白质和核酸等.外泌体在生命体内承担着传递生物分子以及帮助细胞之间信息交流的角色.本文介绍了外泌体的定义、组成以及受体细胞内吞外泌体的方式,探讨了外泌体在癌症液体活检以及在肿瘤发生、发展、转移和逃避免疫监视中的作用.系统地总结了外泌体作为肿瘤发生、发展以及恶性程度的生物标志物的研究进展,并进一步探讨了外泌体在肿瘤治疗中作为治疗靶点以及载体所起到的作用和意义.最后对外泌体在临床中的潜在应用进行了展望,为今后肿瘤诊断治疗提供新的思路.     

转移消失蛋白研究进展

转移消失蛋白(missing in metastasis,MIM)是一种重要的胞内膜调控蛋白,属于inverse BAR(I-BAR)家族成员,能结合细胞膜并在细胞极化、运动和内吞作用等过程中发挥调节功能,其表达异常与多种疾病尤其是肿瘤发生或转移相关,在神经系统、循环系统和生殖泌尿系统中也有一定作用.MIM蛋白的生物学功能包括调节肌动蛋白细胞骨架、与皮动蛋白等其他蛋白相互作用、参与细胞信号通路调控、改变细胞膜形态并促进细胞极化等,在结构上表现出典型I-BAR家族成员特征,借助其N端的I-BAR区域自聚合形成二聚体,促使细胞膜形成伪足状突起,甚至可以调控人造磷脂囊泡,但二聚体的形成也可被靶向的多肽等抑制剂阻断.除作用于蛋白I-BAR,RPTP结合域的特异性多肽外,MIM也可被RNAi干涉,在肿瘤生物治疗领域具有开发潜力.本文回顾了MIM蛋白相关医学研究进展,综述了MIM蛋白已知的生物功能,分析了MIM蛋白靶向治疗及其他应用前景,并提出了可能的研究新方向、新思路.     

囊泡的自发形成——两类表面活性剂复配

开展十二烷基磺基甜菜碱(DSB)与双(2-乙基己基)琥珀酸磺酸钠(AOT)复配体系研究, 发现在某些配比下能自发形成囊泡, 并用负染色法TEM、冷冻蚀刻TEM、量热、动态光散射等方法进行表征. NaCl的加入可以促进囊泡的形成, 并得到了分散度小于0.1的单分散的囊泡, 这种现象尚未见有关文献报道. 同时开展该体系囊泡形成过程的量热研究, 发现单分散体系的热效应最大. 最后从表面活性剂分子排列参数、结构、构象和相互作用的角度对囊泡形成的机理进行了探讨.     

细胞囊泡运输系统与人类健康——2013年诺贝尔生理学或医学奖简介

人类对健康的孜孜以求推动了生命科学领域的不断创新和发展,从20 世纪80 年代兰迪·W?谢克曼(Randy W. Schekman)和詹姆斯?E?罗斯曼(James E. Rothman)分别对酵母细胞进行研究,通过生物电镜观察到囊泡运输系统并给出定义,到托马斯?C?苏德霍夫(Thomas C. Südhof)在神经细胞突触传导中证实了囊泡运输系统的时空调控性,囊泡运输系统作为细胞的基本组成,受到了越来越深入的研究。囊泡运输系统经由精密的调控广泛地参与诸多生命活动过程,与多种生命现象相关,囊泡运输系统障碍可能导致多种人类疾病,深入透彻地理解这些生物学现象和作用机制,对于攻克人类疾病,保障人类健康具有十分深远的意义。     

人造线粒体成功了吗?

细胞很善于"吞吐",它们会挤出一些小囊泡,即外泌体.这些外泌体又能与另一个细胞合并.此类吞吐过程是细胞共享资源、传递信息的一种方式,也是生命体通信的一大重要组成. 2021年9月13日,有研究团队在《自然-催化》(Nature Catalysis)杂志发表论文,介绍了他们将外泌体重编程为一大群鲜活的纳米生物反应器的工作...     

光镊与DNA纳米技术在膜生物学研究中的应用

生物膜是生命活动中信号传导和物质运输的平台。近年来,多学科的交叉应用为膜蛋白介导的膜融合与分裂、囊泡形成与分泌,以及脂质代谢的调控机制等膜生物学研究带来了新的信息。例如,单分子光镊力谱方法通过精准、定量地检测蛋白与膜的相互作用,为在时空维度上理解这一生物过程的复杂调控机制提供了强有力的手段。此外,DNA纳米技术通过构建纳米尺度可编程的自组装结构,提供了可精确修饰与功能化的分子器件。经过疏水修饰的核酸纳米器件可以作用于磷脂膜或生物膜,进而对膜进行表面改性、诱导形变、控制理化参数以及跨膜通信等调控操作。该领域的进步将为细胞生物学机制研究、分泌囊泡的分析检测、人工脂质体的制备优化、新型分子载具开发以及新型药物开发提供特色的工具手段,并构建新颖的体系平台助力合成生物学、化学生物学以及分子医学的发展。     

液-液相分离与生物分子凝集体

真核细胞中有大量的含有高浓度生物大分子的无膜区室,比如P颗粒、压力颗粒、p62颗粒等,涉及生殖细胞命运特化、应激反应、选择性自噬等各种细胞过程.它们被统一称作"生物分子凝集体",使生化反应相对独立,高度有序和高效地进行.近些年的研究表明,大多数生物分子凝集体为多价相互作用驱使的"液-液相分离".围绕体外重构的相分离,以及它们与体内生物分子凝集体的联系,我们对生物大分子相分离的形成与调控、组成与功能的理解愈加深入,相分离与生物分子凝集体也成为生物学及相关交叉领域的研究热点.     

生物大分子相分离研究进展和发展建议

生物大分子相分离(phase separation)或相变(phase transition)是近年来生物学研究中一个新兴的交叉研究领域.生物大分子液-液相分离驱使细胞内形成多种无膜区室,如核仁、核孔复合物、有丝分裂纺锤体、着丝粒、中心体、应激颗粒和一些信号传导复合物等,这些无膜区室被统称为生物分子凝集体.生物大分子相分离具有广泛的生物学功能,例如调控生化反应、感知与响应应激条件、缓冲生物大分子的细胞内浓度和介导与有膜细胞器的直接通讯等.异常的生物大分子相分离与许多人类疾病密切相关,例如神经退行性疾病、癌症以及传染性疾病等.本文介绍了生物大分子相分离的生物学功能及其在人类疾病发生发展中的作用,总结了国内外生物大分子相分离研究所取得的重要进展,并提出了我国相分离研究的发展建议.     

神奇的酵母,科学的宠儿

酵母是一种单细胞真核生物,基于自身诸多优势而成为生物化学、遗传学和细胞生物学的重要研究模型。借助酵母无细胞体系阐明了酶的功能、酶的构成、辅酶特性、tRNA结构和真核转录机制等。酵母作为模式生物在细胞周期、囊泡运输、细胞自噬、端粒保护、蛋白质折叠、未折叠蛋白应答、DNA损伤应答、雷帕霉素靶点和组蛋白调节等重大发现中做出了根本性贡献。许多科学家也因此荣获诺贝尔奖。本文全面介绍酵母在科研中的应用价值。     

植物膜蛋白的囊泡转运及调控机制的研究进展

膜蛋白的囊泡转运对维持植物的生长发育、细胞内外的物质交换、细胞识别、免疫应答、信号转导等生物学过程具有重要的生理学意义.近年来,随着超分辨显微技术和蛋白标记方法的更新和进步,对膜蛋白转运相关机制的研究也取得了很大进展.尽管当前对囊泡转运机制的研究手段或技术方法有很多,但关于膜蛋白囊泡转运途径及其研究技术方法缺少系统的总结.本综述首先介绍了膜蛋白囊泡转运所涉及的相关细胞器,全面总结了植物膜蛋白的不同囊泡转运途径,并在此基础上,系统概括了研究植物囊泡转运所使用的化学方法和突变体;最后,展望了植物膜蛋白囊泡转运途径中的研究前景,以期为了解和阐明植物体如何感知及适应环境的调控机制提供一定的思路和见解.     

细胞外钙调素对花粉萌发和花粉管伸长的影响

钙调素(Calmodulin CaM)作为主要的多功能的Ca~(2+)受体,传统上被认为是细胞内信号转导(Signal transduction)途径中的主要信号分子。然而近年来国内外的一些研究结果表明CaM不仅存在于细胞内,也存在于细胞外。在植物系统中,Biro和孙大业等人(1984)首次发现燕麦胚芽鞘细胞壁中存在CaM,随后我室一系列工作,包括从小麦细胞壁中纯化CaM、用金标免疫电子显微镜从玉米根尖细胞壁中检测到CaM,以及从悬浮培养的白芷和胡萝卜胞培养介质中检测到CaM,证实了植物细胞外CaM存在的普遍性。另外,我室近年来还发现细胞外CaM可以促进白芷细胞增值、原生质体壁再生及第一次分裂,并且还在白芷和胡萝卜细胞外检测到了CaM结合蛋白(CaMBPs),并将其中主要的分子量为21 ku的CaMBP纯化。上述结果表明植物细胞外不仅存在CaM,而且细胞外CaM还具有生物学功能。     

利用TIRFM技术检测PC12细胞中类突触小囊泡的锚定和融合特性

受到广泛关注的神经递质的释放是通过突触囊泡与突触前膜的融合完成的.通过对单个囊泡动力学的分析发现,在突触囊泡分泌过程中除了"完全融合"(full fusion)模式外,还存在着"部分融合即离开"(kiss and run)和"部分融合且停留"(kiss and stay)两种融合模式.在神经元受到强烈刺激时,这两种分泌模式尤为重要.同时突触囊泡融合前的转运、锚定、激活过程在神经递质的释放和调节过程中起着很关键的作用.在高K 刺激下的PC12细胞中,我们运用全内反射荧光显微镜(total internal reflection fluorescence microscopy,TIRFM)技术,通过VAMP2-pHluorin和VAChT-TDimer2双色荧光成像的方法跟踪类突触小囊泡(synaptic vesicle-like microvesicles,SLMVs)的锚定和融合过程.结果表明,在高K 刺激的PC12细胞中,部分融合即离开这种分泌模式占主导地位,同时发现在高K 刺激下SLMVs在细胞膜上的停留时间增加了,说明被激活囊泡的囊泡数量增加.     

膜脂与紫膜蛋白相互作用

天然紫膜中的菌紫质（BR）分别重组到不同膜脂环境的脂质囊泡中，通过冰冻蚀刻电子显微镜观察、菌紫质在囊泡中旋转扩散和吸收光谱的 及吸收随时间的变化，研究了3种不同膜脂环境对脂质囊泡中BR分子结构和功能的影响，实验结果表明：在目前的脂质囊泡制备过程得到的样吕中，二豆蔻酰磷酯酰胆碱（dimyristoylphosphatidylcholine,DMPC）是BR分子的稳定脂环境，卵－磷脂酰胆碱（egg-phosphatidylcholine,卵－PC）会使BR脱生色团视黄醛，产生了不可逆的变化，胆固醇可以稳定脂环境中的BR分子，但会使BR分子产生凝聚作用。     

铝抑制拟南芥根尖PIN2循环和囊泡运输

铝对植物毒害作用最明显的症状是迅速抑制根尖生长. 然而, 铝抑制根尖生长的机制并不清楚. 本文研究了铝对生长素和生长素运输载体(PIN2)囊泡运输的影响. 结果表明, 铝抑制拟南芥根尖生长素运输, 其中过渡区生长素抑制率最高, 达66%. 布雷菲尔德菌素(Brefeldin A, BFA, 一种囊泡运输抑制剂)明显诱导PIN2囊泡在细胞内形成点状结构, 铝处理降低点状结构的大小, 表明铝抑制PIN2囊泡在细胞内的运输. 实时定量PCR和蛋白印迹反应发现, 铝增加PIN2基因的转录表达, 促进PIN2蛋白在细胞膜水平方向累积. 细胞骨架解聚药物处理表明, 铝抑制PIN2囊泡的运输, 主要通过破坏肌球蛋白微丝来完成. 铝处理下, 拟南芥根尖伸长区细胞比过渡区具有较少的铝吸收和较低的囊泡运输频率. 上述结果表明, 通过调节生长素运输载体(PIN2)在质膜与胞内移动, 阻碍生长素的运输, 铝抑制了拟南芥根尖的生长.     

聚合物囊泡及其形成机理

聚合物囊泡因其独特的结构和应用背景以及作为高分子物理和软物质物理的理想模型体系得到了人们的广泛关注.本文综述了嵌段共聚物通过自组装所形成囊泡的结构、性质及其应用,并重点介绍了囊泡形成的动力学过程及其物理机制,其目的是使人们更有效地通过物理手段调控聚合物囊泡的结构及其形成过程.     

非病毒载体介导的siRNA细胞内导入机理研究

比较了两类非病毒载体,包括阳离子聚合物载体(HPAMAM-PHE45,PEI)和阳离子脂质载体(DOTAP)运载siRNA进入细胞的动态过程.DOTAP/siRNA能够很快地被内吞进入内涵体途径,6 h内就能将绝大多数的siRNA从内涵体中释放出来.而HPAMAMPHE45,PEI/siRNA复合物在与细胞接触0.5 h后首先附着在细胞膜表面,逐渐地部分复合物也经由内涵体途径将siRNA从内涵体中释放出来进入细胞质.但也有一部分复合物可能从窖蛋白介导的内吞途径进入细胞.实验结果显示,细胞摄取阳离子脂质/siRNA主要通过网格蛋白介导的内吞实现,而阳离子聚合物/siRNA主要通过网格蛋白介导的内吞和窖蛋白介导的内吞共同完成.这两种不同的内吞方式可能对非病毒载体的不同转染机理及优化理论有较大影响.深入研究其中的关键因素可以为非病毒载体运载siRNA内吞和胞内途径的机理提供线索.     

兼有胞内、胞外功能的信号分子的普遍性及生物学意义

许多经典的或近年来发现的胞内信号分子在胞外也具有生理功能。根据文献及多年的工作认为，生物细胞存在胞内－胞外兼笥功能信使具有普遍意义，是一种规律性的生物不现象，兼性信使的存在是细胞内外，群体细胞间信息交流多样性的表现，而且具有发育生物学的意义。     

一种新的D1201紫膜蛋白的初步表征

自从70年代初Stoeckenius等人发现紫膜细菌视紫红质(BR)以来,对BR结构、功能及其在分子电子学中的应用已成为生物膜研究中的热点.尽管自80年代后期以来,基因工程在分子生物学中的应用极大地推动了我们对BR质子泵功能的认识.但到目前为止,BR详细的质子泵机理仍是争论的焦点.生物物理所与微生物所合作,从青海省大柴旦盐湖底泥中分离并纯化一种新的嗜盐菌菌株D1201,这一菌株能在光照下形成紫膜,与通常紫膜不同的是,明适应最大吸收值为550nm而不是568nm.对其结构与功能的研究具有重要的生物学意义,同时也有助于我们对BR结构与功能进一步的了解.