哈佛大学华裔教授：单分子研究

顾汉现

哈佛大学华裔教授：单分子研究


日期: 2009-11-12  


生命科学发展至今，正朝着两个方向分化发展：宏观和微观。微观方面，在单分子水平上，不仅提出了第三代测序技术这样近期倍受瞩目的新技术，而且从单个细胞，单个蛋白水平上分析生理过程，也正成为一个研究热点。

来自哈佛大学医学院化学生物学系的研究人员为了解开单细胞水平上，基因表达和调控的分子机制，进行了系列实验研究，近期不仅获得了许多研究成果，而且也解决了一些实验技巧问题。

领导这一研究组的是华人科学家谢晓亮博士，其出身于化学世家，其父为北大化学与分子工程学院著名教授谢有畅。谢晓亮博士毕业于北大化学系，1985年赴加州大学圣地亚哥分校攻读博士，1999年被聘为哈佛大学化学与生物系终身教授，是该校仅有的两位中国大陆的终身教授之一。目前其研究重点是单分子光谱检测及其在生命科学中的应用。谢教授曾获美国物理学会的青年光谱学家奖、以色列总统奖等多项殊荣，现已被聘为北大化学与分子工程学院客座教授。   

中心法则认为，遗传信息是通过DNA转录传递给RNA，然后再翻译成蛋白质的，但是实际上虽然研究人员已经能够从单个分子水平上追踪到mRNA转录过程，但是还并未在活体细胞中单分子水上观测到蛋白翻译的过程。这主要是因为通过对活细胞细胞质中散布的蛋白进行荧光标记得到的信号有可能不能从整个细胞的自身荧光背景（autofluorescence）中分离出来，也就是说信噪比低导致结果不准确。

为了解决这一问题，研究人员亮利用了不同的方法观测到活体细胞中单个蛋白分子翻译合成的过程。比如利用了延时动态影像技术（time-lapse  movies）通过60个融合蛋白翻译的过程发现lac抑制因子每脱离DNA片段一次，只有一条mRNA转录出来，随着一阵短时间蛋白合成脉冲，得到了每次不同数目的蛋白分子。这个蛋白数目的变化是符合指数递减规律的——上个世纪80年代得出的一个理论，但至今并未得到实验证据。或者利用了微流控(microfluidic  chambers）捕捉E.coli细胞阻止荧光分子完全释放出去，通过将这种微流室固定在一个显微镜下，观测到了单个β-半乳糖苷酶的翻译过程。

近期谢晓亮博士研究组在GFP研究方面遇到了难题：虽然之前研究人员已经在活细胞中观测到了GFP，但是观测到的是成百上千荧光分子的总和，谢博士等人希望能看到单个荧光蛋白分子，为了达到这一目的，研究人员发明了一种新技术，这种技术被称为“局域检测（detection  by  localization，生物通译）”，并将系列成果发表在Science杂志上。

比如，研究人员将一个荧光报告基因（黄色的荧光蛋白Venus）融合到一个膜蛋白（狂犬病膜蛋白Tsr）上，这样这个荧光信号就能固定在一处，并且保持发光度一段时间。然后研究人员在这个融合蛋白前加入E.coli的Lac启动子，通常会有一个抑制因子阻止其表达，但是偶然这个抑制因子会随机的从这段DNA上脱离下来，从而就能转录出mRNA，翻译成荧光融合蛋白。每一次产生一个融合蛋白分子，研究人员就能观测到这个蛋白在细胞内闪闪发光，为了能实时监控这个过程，研究人员利用了延时动态影像技术（time-lapse  movies）。这样通过60个融合蛋白翻译的过程，谢等人发现lac抑制因子每脱离DNA片段一次，只有一条mRNA转录出来，随着一阵短时间蛋白合成脉冲，得到了每次不同数目的蛋白分子。

这种方法具有单分子敏感性，高特异性，毫秒级分辨率，纳米级空间精确性的优点，是未来单分子研究不可或缺的一种新方法，也是进一步了解细胞机制，分子特性的“利器”