从多肽-多肽相互作用研究细胞的内吞机理

Unraveling the mechanism of different endocytosis pathways helps to understand the activities of cells, to reduce the damage caused by viruses, and to increase the efficiency of drug delivery vehicles. However，it is difficult to reveal the endocytosis mechanism at molecular level when cells are used as the substrate. The conclusions derived from liposomes are not applicable to cells. Considering that the receptor-ligand interaction is the preliminary yet key step for most of the endocytosis pathways, we propose to investigate the mechanism of endocytosis by employing modified transmembrane peptide as the receptor and separately designed peptide as a ligand. The thickness and bending rigidity of the liposome membrane can be changed by varying the length of the hydrophobic segment in the receptor peptide. The ligand peptide not only interacts with the receptor peptide via specific or non-specific interactions, but also adjusts the deformation activity of the liposome membrane by introducing extra hydrophobic amino acid residues. It is expected that one liposome can undergo different endocytosis pathways by varying the interactions between the receptor peptide and the ligand peptide. Doing so, we can reveal the mechanism of different endocytosis pathways at molecular level.

揭示细胞的内吞机理对于理解细胞的生命活动，抵御病毒对人体的伤害，提高药物载体的效率都有重要的科学意义。但细胞层面的研究很难从分子水平揭示不同内吞方式发生的机理；而在脂质体层面得到的内吞机制又很难与细胞行为挂钩。考虑到细胞内吞发生的首要条件是内吞物与膜蛋白之间的受体-配体相互作用，本项目提出利用改进的跨膜肽来充当细胞受体，通过与自主设计的配体多肽之间的相互作用来实现对脂质体内吞方式的调控。调节受体多肽疏水段长度和脂质体膜双尾链的匹配度，能够改变受体多肽与脂质体膜的作用方式，从而引起膜厚度和弯曲模量的变化。配体多肽能够以特异性和非特异性的方式与受体多肽发生作用，在配体多肽中引入额外的疏水序列能进一步调控脂质体膜的变形行为。通过调节多肽-多肽的相互作用，以期能够在同样的脂质体中观察到不同的内吞行为，从而能够从分子水平剖析不同内吞方式发生的机理。

揭示细胞的内吞机理对于理解细胞的生命活动，抵御病毒对人体的伤害，提高药物载体的效率都有重要的科学意义。但细胞层面的研究很难从分子水平揭示不同内吞方式发生的机理；而单纯在脂质体层面得到的内吞机制又很难与细胞行为挂钩。细胞内吞发生的首要条件是内吞物与膜蛋白之间的受体-配体相互作用。受此启发，在本项目中，我们自主设计了序列为Ac-KKKLLLLLLLLKKK-amide（KLK）的配体多肽和序列为Ac-GWW(LA)11WWGGEE-amide（TP）的受体多肽，通过多肽-多肽相互作用来跟踪研究巨型脂质体（GUV）发生出芽、内吞等动态形变的过程和机理。 正电性KLK能够中和负电GUV表面的电荷，造成负曲率，从而导致GUV自发向内出芽。带电磷脂的饱和性，不饱和磷脂的比例，以及磷脂在膜上的横向分布决定了芽出的形状（纤维状、管状、球状）以及随时间的变化，如纤维状芽出转变为球状。当KLK连接了疏水基团时，GUV会发生完整的内吞行为。当在体系中引入与KLK具有竞争作用的聚赖氨酸（PLL）时， KLK首先与巨型脂质体发生作用，诱导内出芽；而随着PLL的吸附和进入到GUV的内部，GUV会把内出的芽体吐出去，并恢复囊泡结构但自身体积变小。寡聚核苷酸(oligo)会缓慢吸附到GUV的表面。在oligo吸附的初期加入KLK，能够观察到GUV首先发生泡状内出芽，芽体随后又外吐到膜外。当oligo在GUV表面吸附均匀时再加入KLK，GUV会发生内吞，而内吞子囊泡不会发生外吐。在含TP的GUV中加入KLK时，GUV能够自发依次完成内吞、迁移、外吐、分裂和回复5个动态过程，并最终调整为规则的球形囊泡结构。形变后，GUV的体积缩小一倍，相当于损失了1/3的膜面积。增加膜中TP含量，动态过程变得剧烈，GUV会出现泄漏，甚至破裂；降低TP含量，GUV会保持其单层囊泡结构，使得动态过程难以发生。固定TP含量不变，增加KLK的浓度会减缓GUV的动态过程，能够观察到更多的细节。为了对内吞、外吐等动态过程机理进行深入剖析，还额外研究了不同生物大分子之间通过静电和疏水作用发生组装、复合、及凝聚的机制。