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Nat Methods:徐涛等超高分辨显微成像研究中获进展

来源:中科院生物物理所 2012-05-15 10:21

2012年5月13日,国际权威学术期刊Nature Methods在线发表了中国科学院生物物理所徐涛研究员和徐平勇研究员及其合作者在超高分辨率成像领域的研究成果,名为“Rational design of true monomeric and bright photoactivatable fluorescent proteins”。这是徐涛和徐平勇等人继2月份在PNAS发表“A unique series of reversibly switchable fluorescent proteins with beneficial properties for various applications”研究论文后,超高分辨显微成像领域的又一重大突破。

近期发展的超高分辨率成像技术(F)PALM/STORM能够在纳米尺度展示生物分子的精确定位,是蛋白质研究和荧光成像领域的研究热点和发展趋势。然而现有的荧光蛋白限制了当前(F)PALM/STORM等超高分辨成像技术的发展和广泛应用。为了进一步完善和优化现有的超高分辨成像方法,发展具有普适性和颜色多样的新型光激活荧光蛋白(PAFPs)至关重要。适合于超高分辨率成像的PAFPs应具有以下特性:分子小、亮度高、成熟时间短、单体性质好、pH稳定性高、发射光子数高等。另外,常被人们忽略的标记密度(label density)也在很大程度上影响着空间分辨率。

mEos2是目前使用最为广泛的PAFPs之一,但mEos2在高浓度下倾向于形成二聚体或多聚体,尤其当mEos2标记膜蛋白时会影响膜蛋白在细胞中的定位。

为了解决膜蛋白的标记问题,同时发展综合性质更佳的荧光蛋白探针,课题组成员首先解析了mEos2的晶体结构,找到了引起mEos2在高浓度下寡聚的关键性氨基酸位点,然后对mEos2进行定点突变筛选,最终获得了两个真正单体荧光蛋白:mEos3.1和mEos3.2。进一步的研究显示,mEos3具有成熟时间短、亮度高的特性。用于单分子定位时具有很高的标记密度和光子产出,在超高分辨成像中比当前所有PAFPs都表现出色。

超高分辨显微成像是一个比较前沿的研究领域,需要物理、化学以及光学等多门学科的交叉。我国在该方向的研究工作正在逐步展开,对荧光蛋白的需求也日益增加。该研究工作以及前期发表的PNAS工作为我国科研工作者在超高分辨显微成像领域中荧光蛋白改造方向的首创研究成果。生物物理研究所徐涛研究员与徐平勇研究员为该论文的通讯作者,张名姝、常浩和章永登为该论文的共同第一作者。该成果得到了科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的资助。(生物谷Bioon.com)

Rational design of true monomeric and bright photoactivatable fluorescent proteins

Mingshu Zhang, Hao Chang, Yongdeng Zhang, Junwei Yu, Lijie Wu, Wei Ji, Juanjuan Chen, Bei Liu, Jingze Lu, Yingfang Liu, Junlong Zhang, Pingyong Xu & Tao Xu

Monomeric (m)Eos2 is an engineered photoactivatable fluorescent protein widely used for super-resolution microscopy. We show that mEos2 forms oligomers at high concentrations and forms aggregates when labeling membrane proteins, limiting its application as a fusion partner. We solved the crystal structure of tetrameric mEos2 and rationally designed improved versions, mEos3.1 and mEos3.2, that are truly monomeric, are brighter, mature faster and exhibit higher photon budget and label density.

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