Nature Methods：温度敏感蛋白，精确控制细胞功能！

奇物论 · 公众号 · · 2025-01-24 22:14

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在生物科学中，诱导性蛋白开关被广泛用于按需控制蛋白质的行为，例如通过化学物质或光信号来触发蛋白构象变化，从而调节下游的细胞行为。然而，这些方法要么无法在空间和时间上实现精准控制，要么无法应用于光学密集的环境（如组织和生物体内部），限制了它们在复杂生物系统中的应用。因此，开发一种能够结合化学诱导的穿透性和光遗传学的时空精度的新型诱导策略显得尤为重要。

温度作为一种动态且具有穿透性的诱导因素，近年来引起了科学家们的关注。与光不同，温度可以在组织内部深处调节，并且可以利用现有的临床技术（如聚焦超声）实现亚毫米级的精度。此外，温度感应还可以与生物体自身的生理信号（如发热炎症）相结合，为开发能够自主检测和响应生理温度变化的工程生物系统提供了可能。

“Melt”蛋白模块的发现与特性

近日， 宾夕法尼亚大学Lukasz J. Bugaj 研究团队 介绍了一种名为“ Melt ”（ Membrane localization through temperature ）的蛋白模块，它能够通过温度变化在活性状态之间可逆切换。 Melt蛋白在高温下以单体形式存在于细胞质中，而在温度降低时，它会寡聚化并转移到细胞膜上 。通过定制的快速温度控制设备，研究人员发现 Melt 蛋白在 28-32 ° C 之间能够完全切换状态，并且状态变化可以在温度变化后的几分钟内被观察到。

Melt蛋白具有高度的模块化特性，可以通过简单的端到端融合来控制多种细胞内过程，包括信号传导、蛋白降解和核穿梭，而无需进一步的工程改造。此外，Melt蛋白还具有高度的可调性，研究人员开发了一系列Melt变体，其切换温度范围从30-40°C不等。这些变体能够在37°C-41°C的范围内控制分子电路，这一温度范围对哺乳动物细胞是安全且耐受的。最终，Melt蛋白能够通过温度调节细胞的重要决策，如细胞骨架重排和细胞凋亡。

实验方法与结果

研究人员利用一种名为“thermoPlate”的定制设备，实现了对96孔板中每个孔的独立温度控制。 该设备通过比例-积分-微分（PID）反馈控制技术，能够在长时间实验中维持预设的温度曲线。通过这种设备，研究人员系统地表征了Melt蛋白在不同温度下的稳态膜结合能力，并观察到其在27-32°C之间的温度依赖性膜结合和解离。

实验结果显示，Melt蛋白的膜结合和解离过程是可逆的，并且其动力学特性取决于温度和热刺激的历史。 研究人员进一步探索了Melt蛋白在哺乳动物细胞中控制分子回路的潜力，发现Melt能够通过膜招募和解离来控制Ras-Erk信号通路的激活、EGFR受体的信号传导以及TEVp蛋白酶的活性。此外，通过将Melt与核定位序列（NLS）和核输出序列（NES）融合，研究人员还实现了对蛋白质核穿梭的温度控制。

图|Melt膜结合和热开关点的调节使基于熔体的工具能够在哺乳动物温度范围内应用

为了将Melt蛋白应用于哺乳动物细胞，研究人员通过突变和融合策略，开发了一系列能够在更高温度下工作的Melt变体。这些变体在37°C-42°C的温度范围内表现出良好的温度感应能力，并能够控制多种细胞行为，如细胞形态变化和细胞死亡。

图|使用Melt对细胞命运进行热调节

研究意义与展望

Melt蛋白模块的发现为生物技术和生物医学领域提供了一种全新的、基于温度的细胞控制工具。与现有的光遗传学和化学诱导方法相比，Melt蛋白具有更高的时空精度和更低的潜在热应激风险，能够在更广泛的温度范围内实现对细胞行为的精准调控。这一技术有望在细胞治疗、组织工程和生物传感器等领域发挥重要作用，为未来的生物医学研究和应用开辟新的道路。

参考文献：

Nature Methods：温度敏感蛋白，精确控制细胞功能！

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