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膜蛋白研究利器 Nanodiscs(纳米磷脂盘) 膜蛋白在细胞与外界进行物质、信息、能量交换中具有重要的作用和意义，因此膜蛋白成为了当前研究热点之一。但是由于膜蛋白存在疏水部分，因此在体外容易聚合，所以需要找到一种合适的方法让膜蛋白能够稳定地存在于细胞外的环境。传统的膜蛋白提取方法是利用去污剂来提取，但是经过去污剂提取后的膜蛋白其构象和生物学活性都较易因为各种问题被破坏，作为“镶嵌”在细胞膜磷脂双分子层中的蛋白，一旦脱离了其稳定的天然膜环境，便会影响甚至失去其生理功能，即使膜蛋白被成功地提取出来，也达不到很好的研究结果。 早在上个世纪90年代，来自University of Illinois的生化学家Stephen Sligar教授就提出了一种命名为“Nanodisc”的磷脂层结构，能够有效地解决膜蛋白提取后在体外环境中稳定存在的问题，从而确保膜蛋白能够像在天然的细胞膜中维持其构象和生物学功能。Nanodiscs这种全新的膜蛋白提取工具突破了原有提取方法的瓶颈，能够高效而温和地辅助于膜蛋白的提取和保持其构象，这种全新的膜蛋白提取辅助工具可以解决以上传统提取方法容易出现的问题。 Nanodiscs已经应用于许多著名的科研院校、制药企业，推动了膜蛋白相关领域的研究进展。本文将对这种技术做一个详细的解读与应用说明。1）什么是Nanodiscs? Nanodiscs是由膜支架蛋白(membrane scaffold proteins, MSPs)和磷脂分子构成的磷脂双分子层类膜结构。通过这种特殊的结构，膜蛋白可以整合到Nanodiscs中，保持其生物学活性，为膜蛋白研究提供了有力的技术支持，打通了膜蛋白研究中的瓶颈之一。 膜支架蛋白(MSPs)是载脂蛋白(apo) A-I的缩减版，它们包绕着脂质双分子层从而形成圆盘状的结构，即纳米盘3。其包含一个朝向内部脂层的疏水面和朝外的亲水面。这一结构使得Nanodiscs在水溶液中具有很高的溶解度，同时在没有去污剂的情况下也可以使膜蛋白溶解。 常用的磷脂为二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱(DMPC)或棕榈酰油酰磷脂酰胆碱(POPC)，它们可以与(apo) A-I组装成纳米盘，并与溶解膜蛋白的去污剂胆酸钠一起结合使用。图1：膜蛋白组装到Nanodiscs的原理图。绿色：膜支架蛋白（MSPs）；灰色：磷脂；橙色：膜蛋白。根据所使用的MSPs的不同，形成的Nanodiscs的直径会有所差异，这些纳米级双层微粒的直径约为7-13纳米。应用广泛的MSPs包括MSP1D1、MSP1D1-dH5和MSP1E3D1。具体尺寸见表1。 表1 不同类型的MSPs的尺寸 MSP类型 尺寸(nm) MSP1D1 9.5(+/-1.1) MSP1D1-dH5 8.2(+/-0.6) MSP1E3D1 13(+/-1) 2）为什么选择Nanodiscs在膜蛋白研究方面，尤其是配体结合研究、构象动力学分析以及蛋白相互作用的研究，Nanodiscs体系与其他体系相比有诸多优势4。Nanodiscs可以使膜蛋白，如GPCRs或转运蛋白等，在人造环境里和纳米盘重新组装起来，形成类似天然的细胞膜结构。这种组装到Nanodisc中的可溶性蛋白可以在没有去污剂的情况下用常规的层析方法来进行纯化。（这个部分我们需要多查些资料看下）Nanodisc与膜蛋白的组装结构使得膜蛋白能够在体外研究膜蛋白在生理上细胞内和细胞外的两面，因此也使得进一步研究拮抗剂，激动剂，G蛋白以及其他相互作用的配体等不再受限。3）Nanodiscs优势：Nanodiscs能够为提取出来的膜蛋白提供一个稳定环境使它们继续工作，就好像还没有离开原来细胞膜一样。 细胞膜蛋白之所以研究难度大是在于膜蛋白从细胞膜上提取出来以后就无法行使其正常功能，使得研究这些受体分子相当困难。为了解决这项难题，Stephen Sligar 等科学家研发出一种脂质纳米圆盘 (lipid-based Nanodiscs)可以替代细胞膜上磷脂双层膜 (phospholipid bilayer)，让被纯化出来的细胞膜蛋白如同一般细胞膜蛋白一样稳定地行使其正常功能。 Nanodiscs和天然的细胞膜的组成结构一样，是由两层磷脂层组成的，每个磷脂分子都有活跃并亲水的头部基团和疏水尾部。Nanodiscs 的结构就像一般细胞膜一样，由两层背对背的磷脂 (phospholipid)所组成，为了使纳米圆盘表面能保持这个扁平的形状，研究人员给这个Nanodiscs 外面加上一圈蛋白质(MSPs)。 Nanodiscs应用前景非常广泛，这个技术将有助于解开一大堆未知的膜蛋白的生化行为模式，也将有可能帮助得到膜蛋白的结晶，从而应用X 射线晶体衍射学获得在原子水平上的结构图。 4）将膜蛋