基于荧光纳米金刚石的跨膜信号转导三维单分子荧光成像

配体和受体分子结合很多都始于信号通路传导，并参与细胞内重要的生理功能。其异常结合与多种疾病相关，因此，一些重大疾病如恶性肿瘤也将受体分子作为其治疗的特异性靶点。近年来，基于超衍射分辨率单分子显微成像技术的发展为人类解析配体和受体分子的运动规律提供了更加精细、更加准确地技术支持，非常适合用于活体细胞内解析蛋白质分子之间的实时运动规律。单分子显微成像技术的关键在于使用具有优良荧光特性的材料标记目标靶分子。纳米金刚石（50nm-100nm）经过高能射线照射后内部会产生带负电荷的氮-空位中心（NV centers），从而具荧光特性，因此也被称为荧光纳米金刚石（Fluorescent nanodiamonds，FNDs）。和其它荧光物质比，FNDs具有非常优秀的荧光光学特性，同时对细胞无毒，因此非常适合用于标记蛋白质分子用于荧光显微镜成像。

中南大学喻风雷、王理研究团队首次将FNDs用于配体和受体分子结合的三维单分子成像标记。他们首先用FNDs标记转化生长因子（TGF-β），然后使用3D单分子成像技术追踪解析TGF-β在活体细胞内配体和受体的结合过程，由于FNDs具有优异的光学性能，从而获得了TGF-β的运动轨迹，在xy轴7nm、z轴16nm水平上，具有极高的空间定位精度。结果发现：TGF-β分别呈现出稳定状态、异常扩散状态和自由扩散状态三种不同的运动状态。稳定状态也是激活状态，可能代表TGF-β配体分子和受体分子结合形成复合物；异常扩散状态是配体受体复合物后续的细胞内化处理，被认为是大分子聚集造成的，包括密度高的蛋白质、脂类和细胞器；自由扩散状态则代表未能与受体或其它蛋白质结合的配体分子。更有意义的是，使用TGF-β受体的小分子抑制剂处理细胞以后，TGF-β受体的活性受到了抑制，直接影响了TGF-β的运动状态，TGF-β由稳定状态大量转换成异常扩散状态和自由扩散状态。

这些结果表明FNDs可以应用于单分子成像技术，从而研究蛋白质之间的相互作用和运动规律。同时，这种技术还能很好地解析药物分子对蛋白质运动的影响，这也为开发新的针对靶蛋白的特定药物提供了新的技术思路。

该研究成果发表于《Adv. Funct. Mater.》。

http://onlinelibrary.wiley.com/resolve/doi?DOI=10.1002%2Fadfm.201502883

原文标题：3D Single-Molecule Imaging of Transmembrane Signaling by Targeting Nanodiamonds