扩展时空超分辨成像方法以研究CTP合成酶形成细胞蛇的动态机制

Polymerization of CTP synthase (CtpS) has been observed recently, and soon becomes a field of intense researches. The polymers of CtpS are termed “Cytoophidia”. CtpS is an important enzyme because its product, CTP, is not only one of building blocks for DNA and RNA, but also involves in the synthesis of almost all membrane phospholipids. More importantly, CtpS has been utilized as a potential drug target for several cancers and parasitic diseases. Little is known about cytoophidia except that the polymerization is closely related to the regulation of CtpS enzymatic activity. In this proposal, we aim to obtain real-time video of the polymerization of cytoophidia with high spatial and temporal resolution. By developing new photon statistics algorithm based on single-molecule fluorescence superresolution microscopy, we will push the envelope for higher spatial and temporal resolution of fluorescence microscopy. Such study can help us illuminate the detailed mechanisms of Cytoophidia. The results of this project can provide guidance for drug design and offer new tools for dynamic study of other biological polymers.

别名“细胞蛇”的CTP合成酶（CtpS）多聚体在近期被发现为一种新型的胞器并得到广泛关注。CtpS作为一种功能重要的蛋白，其产物CTP既是核酸大分子的原料，又是生物膜磷脂分子合成的关键前体；而CtpS也是各种癌症和寄生虫病的药物开发的标靶之一。细胞蛇的形成与CtpS酶活性调控机制密切相关。本课题我们拟通过发展基于荧光超分辨显微技术的光子信息统计算法，获得细胞蛇自组装过程的实时动态高分辨图像。这种新形态的成像技术，将现有的超分辨成像空间与时间解析度向前推进，适用于细胞蛇以及与其形态类似的多种蛋白质纤维状聚合体的动态观测与研究。本研究的成果既能对以CtpS为标靶的各类药物设计提供新的指导，又为其它生物大分子多聚体动态研究提供了新的研究工具，可为相关具有应用价值的生物医学关键问题提供解答。

随着大量蛋白多聚化现象被发现以及人工合成蛋白质多聚体纳米结构新型材料在医学等领域的应用，蛋白质自组装是一个重要的研究领域。作为普遍存在的蛋白酶，同时又是多种癌症和疾病药物的潜在标靶之一，CTP合成酶（CtpS）自组装形成的“细胞蛇”多聚体受到广泛关注。但在分子层面上CtpS“细胞蛇”自组装的动态机制还没有得到完整解析。我们利用单分子荧光方法对CTP合成酶和其互作对象Δ1-吡咯啉-5-羧酸合酶（Δ1-pyrroline-5-carboxylate synthase，P5CS）的自组装机制进行了研究。首先，借助超分辨成像技术我们直接观测到CtpS“细胞蛇”的微观结构细节。并且利用单分子荧光成像手段对CtpS“细胞蛇”自组装与P5CS的协同组装的动态过程进行实时观测，发现CtpS和P5CS形成多聚体时生长延伸的方向性上具有明显差异。我们统计了CtpS不同条件下最小结构单元的寡聚态分布和结合比例，确认了CtpS“细胞蛇”是以CtpS四聚体为结构单元不断堆叠而成。并发现P5CS可以作为CtpS多聚体的起始核心诱导“细胞蛇”结构进一步生长。本项目的研究成果既对CtpS和其互作对象P5CS自组装成“细胞蛇”多聚体的动态过程提供了分子尺度上的理解，又为其它蛋白质多聚体动态研究提供了新的实验视角和分析工具。