納米盤——膜蛋白研究新平臺

張澤鈺 黃儲涵 魏鵬

膜蛋白，是能夠結合或整合到細胞膜或細胞器膜上的蛋白質的總稱，是生物膜功能的主要承擔者，是體內細胞增殖分化、能量轉換、信號傳導和物質運輸的主要承載者。膜蛋白主要包括外周膜蛋白、整合蛋白、脂錨定蛋白三類，其中整合蛋白中的通道蛋白、受體蛋白、載體蛋白，以及各種酶等，是現代生物醫學領域中重要的研究內容。然而，由于膜蛋白不溶于水，且在體外難以保持天然形態，因此極大地限制了天然膜蛋白的相關研究。

納米盤的原理

1959年，物理學家費恩曼提出了一個關于創造物品的設想：“為什么我們不能從單個的分子、甚至原子出發，按我們的要求進行組裝以得到我們所需要的物品呢？”這就是有關納米技術最早的靈感起源。此后，許多科學家在小分子層面進行了構想和努力，并于20世紀80年代發明了研究納米技術的重要工具——掃描隧道顯微鏡，讓科學家能夠真實地看到一個個可見的原子或分子世界。最廣為人知的納米技術當屬IBM公司的科學家將單個原子重排，組成了“I”“B”“M”3個字母，而這3個字母的長度加起來還不足3納米，相當于人體頭發絲直徑的1/45 000。

納米盤技術，最早由斯蒂芬·斯利加（Stephen Sligar）提出。納米盤是一種由磷脂和膜支架蛋白（membrane scaffold proteins， MSP）顆粒自組裝而成的盤狀磷脂雙分子層，其中的MSP顆粒是一種類似ApoA-1蛋白的人工膜支架蛋白。ApoA-1是人體中高密度脂蛋白的重要組成部分，由243個氨基酸殘基組成，將其N端的部分氨基酸殘基切掉后可形成柔軟而具有韌性的MSP顆粒。有研究者通過改變蛋白骨架兩端螺旋部分的長短或延長、截斷的方法得到了長短不一的MSP顆粒，并發現其均可用于納米盤的組裝[3]，因而進一步證實了納米盤的可塑性。

納米盤的應用

膜蛋白純化利器

現有純化膜蛋白的方法主要是使用去污劑，利用雙極性分子（同時具有疏水性與親水性）來破壞磷脂雙分子層結構，從而將膜蛋白從生物膜中釋放出來。純化過程中關鍵的一步，是使得目標膜蛋白在去污劑中自組裝為膠束（表面活性劑濃度達到一定值后，開始大量形成的分子有序聚集體），而這一過程由不同去污劑的臨界膠束濃度決定。但即便對于同一種去污劑來說，它的臨界膠束濃度也不是恒定的，會受到溶液pH、離子強度和環境溫度的影響。因此，去污劑在膜蛋白的溶解和提純過程中面臨著不確定性等多種問題。

當納米盤技術與膜蛋白的純化過程結合時，主要有兩種方式[2]：一是將膜支架蛋白直接加入純化好的目標膜蛋白中，使其自動整合嵌入；二是將膜支架蛋白顆粒加入膜蛋白的混合物之中，得到多種含不同膜蛋白的納米盤混合物，再將這種兩親性的物質進行純化。納米盤依據其自身對于生物膜的高度模仿性，大大降低了以往使用去污劑純化造成的膜蛋白錯誤折疊、表面聚集等問題發生的概率，保證純化后的膜蛋白結構與功能同其天然構象更為接近；同時，簡化了膜蛋白的純化步驟、降低了純化難度。

探究膜蛋白的結構

目前，研究蛋白質結構的主要手段有X射線衍射技術、電鏡技術和核磁共振技術。獲得高質量的蛋白質晶體，是進一步探究蛋白質結構的前提。然而在既往有關膜蛋白的研究中，由于膜蛋白自身兩親性的特殊性質，使其在純化過程中構象不穩定，容易發生聚合，因此很難獲得高質量的膜蛋白晶體。

近年來，研究者們試圖將納米盤與現有的成像基礎結合來解決這一問題，例如在X射線晶體衍射法中，將納米盤的膜支架蛋白顆粒設計成一個二維的結晶格，或通過使用特定的抗體為脂質雙分子層提供更大的空間，以避免結晶困難的問題[4]；而在冷凍電鏡技術中，研究者用納米盤分離膜蛋白及其復合物，使得膜蛋白具有較高的均一性，目標蛋白中少有異常聚集，且蛋白能夠在納米盤上較好地保持其天然形態下的功能與構象，便于獲取膜蛋白的結構[5，6]。

心血管疾病防治器

動脈粥樣硬化是心血管疾病的高危致病因素，也是冠心病的主要發病和死亡原因。血脂升高是動脈粥樣硬化的前提，而評估血脂的指標主要包括四項：血液中膽固醇、甘油三酯、高密度脂蛋白和低密度脂蛋白的水平。經脂質組學和蛋白質組學研究發現，血液中的高密度脂蛋白水平與心血管疾病發生的風險呈負相關[7]。

ApoA-1是人體中高密度脂蛋白的重要組成部分，納米盤骨架MSP與體內ApoA-1結構十分相似。研究者將納米盤注射進入動脈粥樣硬化的動物模型后，能夠一定程度地模擬盤狀高密度脂蛋白的功能，起到抗動脈粥樣硬化的作用。此外，也有學者深入地探究了藥物與納米盤的結合效果，結果發現與納米盤結合后的他汀類藥物能夠大幅降低巨噬細胞的存活率，并抑制已形成斑塊的炎癥反應。

疏水性藥物的良好載體

目前新發現的藥物中，約40%都是脂溶性的，因此在常用的靜脈注射給藥過程中，常需使用增溶劑來提高藥物的利用率，而這種方式又常常會產生“注射量大”“毒副作用多”等副作用。

納米盤憑借其對生物膜磷脂雙分子層結構的高度模擬性，成為疏水性藥物的一種高效載體，納米盤的骨架將磷脂包圍在其中，親水端向外，疏水端向內，藥物可通過人為手段搭載在磷脂內部的長鏈中。通過該種方法，能夠將脂溶性藥物準確遞送，過程中未出現明顯的脫靶毒副作用，而含有ApoE3蛋白質的納米盤還能夠減少模型動物體內的淀粉樣蛋白沉積，從而改善其神經功能變化引起的記憶缺陷[9]。