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清大揭開細胞的雙層開關機制 登國際期刊「PNAS」

紅色顯示細胞輪廓,綠色螢光代表鈣離子;螢光隨時間增強,證實BsYetJ膜蛋白在細胞上有活性,能將鈣離子送入細胞。圖/清大提供
紅色顯示細胞輪廓,綠色螢光代表鈣離子;螢光隨時間增強,證實BsYetJ膜蛋白在細胞上有活性,能將鈣離子送入細胞。圖/清大提供

細胞內的鈣離子會引發人體各種生理反應,但細胞如何精準控制鈣離子濃度,避免流量過多或不足?清華大學化學系教授江昀緯研究團隊發現,細胞膜上的鈣離子通道並非只有「開」與「關」,而是由兩個奈米尺度的分子扣環控制,一個決定通道何時開啟,另一個控制鈣離子流量。研究成果近期刊登於國際期刊「美國國家科學院院刊」(PNAS)。

江昀緯說明,鈣離子在細胞內負責傳遞訊號,攸關細胞的壓力反應、生長及存活,濃度稍有變化就可能引發一連串生理反應。因此,鈣離子通道如同水庫閘門,不僅要控制何時開啟,也須調節流量,維持細胞正常運作。

江昀緯團隊發現,當細胞環境變酸,蛋白質內的正、負電荷吸引力會變弱,使如同分子扣環的「鹽橋」鬆開,讓鈣離子得以通過。這是史上首次有研究團隊發現兩組鹽橋如何分工,並將蛋白質送入活細胞膜中,驗證這套機制確實能在細胞環境中運作。

談到如何選擇研究目標,江昀緯表示,人類細胞內共有6種「TMBIM」家族膜蛋白,至今仍無人能破解它的結構。因此,團隊選擇與它有演化親緣關係的枯草桿菌膜蛋白「BsYetJ」作為研究模型。

江昀緯投入這項研究長達12年。團隊在2020年發現,BsYetJ膜蛋白在細胞膜中運作時的形狀,與脫離細胞膜環境後觀察到的晶體結構有所不同;如今再耗時近6年,找出控制BsYetJ膜蛋白的兩組關鍵鹽橋。

為證明兩個扣環的功能確實不同,團隊自行從電路板開始搭建「單分子通道電流實驗」量測系統,捕捉鈣離子通過BsYetJ膜蛋白時產生的微小電流。江昀緯表示,由於訊號極小,有時連續實驗十天,只有一天能取得可用數據。

接著,團隊運用清大特有的雙電子共振(DEER)技術,如同拿著一把「奈米級量尺」,測量蛋白質內部的距離變化,並搭配電腦模擬,重建通道開啟與關閉時的立體結構。

最後,團隊透過自行建立的「奈米圓盤遞送」方法,將BsYetJ膜蛋白送入活細胞膜,再以螢光影像觀察細胞內鈣離子濃度變化,證實人工膜中發現的雙扣環機制也能在細胞環境中運作。未來,這項技術可用來研究更多難以在活細胞中觀察的膜蛋白,並觀察藥物或蛋白質變化如何影響細胞運作。

江昀緯強調,目前研究對象仍是細菌蛋白,尚不能直接推論人類TMBIM蛋白也使用完全相同的機制。但研究揭示的分層式靜電調控原理,能成為科學界理解人類相關蛋白的重要基礎。

江昀緯研究團隊成員包括清大化學系博士後研究員鄭竹鈞、清華化學系碩二生王云珊;清華化學系博士班畢業後、前往美國康乃爾大學醫學院從事博士後研究的李介勤;以及清華化學系助理教授林竣偉。

清大指出,江昀緯長期投入物理化學與生物物理跨領域研究,曾獲國科會吳大猷先生紀念獎、台灣化學會傑出青年化學家獎章、生物物理學會傑出年輕學者獎等榮譽。這次研究經費則由國科會卓越領航計畫支持。

清大化學系教授江昀緯(中)團隊成員正利用顯微鏡觀察細胞內鈣離子的濃度變化。圖/清大提供
清大化學系教授江昀緯(中)團隊成員正利用顯微鏡觀察細胞內鈣離子的濃度變化。圖/清大提供

清華大化學系教授江昀緯(左)團隊解開細胞的雙層開關機制。右為團隊成員博士後研究員鄭竹鈞,中為化學系碩二生王云珊。圖/清大提供
清華大化學系教授江昀緯(左)團隊解開細胞的雙層開關機制。右為團隊成員博士後研究員鄭竹鈞,中為化學系碩二生王云珊。圖/清大提供

BsYetJ膜蛋白的雙層開關機制。圖/清大提供
BsYetJ膜蛋白的雙層開關機制。圖/清大提供

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