超分辨荧光显微镜研究细胞膜蛋白及其聚集体的形态和分布

The cell membrane is an important component of living cells, and it is closely related with the cellular transportation and signal transduction. The distribution of membrane proteins directly determines the biological functions of the cell membrane. In this proposal, based on our novel findings about membrane protein aggregates of red blood cell membranes, we plan to utilize super-resolution fluorescence microscopy to further study the distribution and components of membrane protein aggregates. We will precisely locate a variety of membrane proteins in red blood cells and nucleated cells (e.g. ion/molecule channels, receptors, functional membrane proteins and anchoring proteins)，study the relationship between membrane proteins and lipid rafts, and investigate the interactions between skeleton proteins and membrane proteins. Eventually, we will improve the model of cell membranes, therefore reveal the molecular mechanism of membrane functions (e.g. material transportation, endocytosis and signal transduction) and provide a theoretical basis for the treatment of the membrane-associated diseases.

细胞膜是细胞的重要组成部分，它与细胞的物质运输和信号传递等功能密切相关。膜蛋白的分布和存在形态直接决定着细胞膜的生物学功能。本项目申请是以课题组前期在红细胞膜蛋白聚集体研究方面的最新进展为基础，结合超分辨荧光显微镜来深入研究细胞膜蛋白的分布及其聚集体组成。项目将精确定位红细胞和复杂细胞内外膜上多种蛋白（离子/分子通道蛋白、受体蛋白、功能性蛋白和锚定蛋白等）的位置和相互关系、研究膜蛋白与脂筏的关系、以及骨架蛋白是如何与细胞膜蛋白结合的，最终完善细胞膜结构模型，从而揭示细胞膜相关功能（细胞物质转运、内吞、信号转导等）的分子机制，为治疗细胞膜相关的疾病提供理论依据。

细胞膜在维持细胞内环境稳定、物质运输、信号传递和能量转换过程中起着重要的作用。膜蛋白作为细胞膜的重要组成成分，其形态和分布与细胞膜的功能密切相关。课题组利用超分辨显微镜的高分辨成像优势（约20 nm），对细胞膜蛋白及其聚集体的定位、组装和形成进行了深入的研究。主要成果包括：(1)利用STORM观察了红细胞和体细胞膜上Na+-K+ ATPase和BandⅢ蛋白的分布和定位，以及它们之间的相互关系，并发现了脂筏对它们维持形态起到的重要作用；（2）观察了EGFR纳米簇在正常细胞和癌细胞上的分布差异，发现其分布与脂筏、磷脂和外界环境等因素的关系；（3）揭示了STAT1、STAT3在细胞周期过程中的分布规律，以及在细胞因子刺激下的入核过程；（4）观察了不同糖分子在细胞膜上的分布特征和组装形式；（5）通过引入磁场和电化学方法，对有机染料的光物理性质进行调变，从而提高超分辨成像的分辨率；（6）提出了更为完善的体细胞膜模型“蛋白质层-磷脂-蛋白质岛”（PLLPI）。本课题研究成果有利于对细胞膜的信号转导、物质运输和相关分子机制的深入理解，使人们对细胞膜结构和功能有了更全面和深刻地认识，从而为开展对细胞膜相关疾病的研究打下基础。课题期间发表相关论文27篇，包括Chemical Society Reviews，Cell Research，Advanced Science，Small，Nanoscale等核心期刊，其中影响因子大于7的有11篇。申请专利3项，获得授权2项。