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前沿合作∣島津助力陳春英團(tuán)隊(duì)在PNAS上發(fā)表揭示細(xì)胞內(nèi)納米蛋白冠干擾蛋白穩(wěn)態(tài)重塑細(xì)胞代謝
2022年6月2日，國家納米科學(xué)中心陳春英研究員團(tuán)隊(duì)在《美國國家科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2022, 119(23), e2200363119）在線發(fā)表了題為"Dynamic intracellular exchange of nanomaterials’ protein corona perturbs proteostasis and remodels cell metabolism"的研究論文(圖1)，通過創(chuàng)新應(yīng)用多維度多組學(xué)（蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)）、分子間互作以及原位質(zhì)譜成像等分析技術(shù)，首次揭示了“納米蛋白冠”的蛋白組成在細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的動態(tài)演化模式，并發(fā)現(xiàn)該過程擾動細(xì)胞蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)、能量代謝和脂質(zhì)代謝過程。該研究工作得到了島津中國創(chuàng)新中心(Shimadzu China Innovation Center)的技術(shù)支持。
圖1 論文首頁標(biāo)題
背景介紹
當(dāng)納米材料進(jìn)入生命體系時(shí)，生物流體的生物分子迅速與納米材料表面結(jié)合，形成生物分子冠，其中納米-血液蛋白分子互作形成的“納米蛋白冠”，自2006年始引起科學(xué)界的廣泛關(guān)注。前期工作發(fā)現(xiàn)納米蛋白冠的形成決定納米材料在多層級細(xì)胞和組織中的識別、轉(zhuǎn)運(yùn)、分布、功能和生物效應(yīng)，是納米材料生物應(yīng)用的“黑匣子”問題，不僅決定納米藥物載體的遞送效率，還會制約納米藥物的遞送效率，并嚴(yán)重影響其有效性和安全性 [1]。該領(lǐng)域研究的一個(gè)重要挑戰(zhàn)是“納米蛋白冠”的復(fù)雜性，該復(fù)雜性受不同組織器官中生物分子的多樣性以及生理病理狀態(tài)的影響。然而目前對蛋白冠的蛋白組成和結(jié)構(gòu)特性如何隨納米顆粒所處的生物微環(huán)境不同而發(fā)生變化，存在認(rèn)知不明、機(jī)理不清的問題。
解決方案
為了解決這一問題，研究人員以納米金顆粒為模式納米顆粒，研究了蛋白冠從血液系統(tǒng)到細(xì)胞內(nèi)的動態(tài)演化過程（血液-溶酶體-細(xì)胞質(zhì)）（圖2），當(dāng)納米顆粒由血液環(huán)境經(jīng)過細(xì)胞內(nèi)吞進(jìn)入溶酶體，再從溶酶體逃逸進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)后，其表面的蛋白組成會發(fā)生巨大變化，被細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)分子（PKM2、HSPs、GAPDH、ASSY等）所替代，只保留部分血液環(huán)境中形成的蛋白冠成分（FIBs、APOs、HBs、C3、S100s等）(圖2)。
圖2. 納米蛋白冠組成在細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的演化過程
隨后發(fā)現(xiàn)，納米蛋白冠的胞內(nèi)演化擾亂細(xì)胞內(nèi)的蛋白穩(wěn)態(tài)（proteostasis），引發(fā)伴侶蛋白(HSC70, HSP90等)和丙酮酸激酶M2（PKM2）在胞內(nèi)納米蛋白冠表面的富集，并利用微量熱泳動技術(shù)（MST）驗(yàn)證了PKM2、HSC70與從溶酶體逃逸出來之后的納米蛋白冠具有極強(qiáng)的親和力，這一吸附規(guī)律激發(fā)了伴侶蛋白介導(dǎo)的自噬反應(yīng)（Chaperone mediated autophagy, CMA），即“納米蛋白冠引發(fā)的CMA”（Protein corona induced CMA）（圖3）。
圖3. 納米蛋白冠的組分與胞內(nèi)蛋白(伴侶蛋白、代謝激酶)的交換引發(fā)伴侶蛋白介導(dǎo)的自噬(CMA)活性的升高
進(jìn)一步，研究人員采用代謝組學(xué)發(fā)現(xiàn)“納米蛋白冠誘導(dǎo)的CMA”影響細(xì)胞糖酵解，引發(fā)細(xì)胞外酸化率（ECAR）顯著增加。結(jié)合脂質(zhì)組學(xué)發(fā)現(xiàn)的特定脂質(zhì)，利用iMScope TRIO（Shimadzu Corporation）進(jìn)行鑒定和可視化分布分析顯示在動物組織水平納米蛋白冠的存在一定程度上擾動腫瘤組織中的脂質(zhì)種類和分布（圖4），擾動的脂質(zhì)主要富集在膽堿代謝、甘油磷脂和鞘脂代謝途徑。
圖4. 納米蛋白冠引發(fā)的CMA重塑細(xì)胞能量代謝和脂質(zhì)代謝
結(jié)論
綜上所述，此項(xiàng)工作首次闡明了納米顆粒從血液到亞細(xì)胞微環(huán)境轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的演化模式，發(fā)現(xiàn)了“納米蛋白冠”的胞內(nèi)微環(huán)境特異性，進(jìn)而重塑細(xì)胞代謝，為深入理解納米-生物界面調(diào)控納米材料復(fù)雜生物學(xué)效應(yīng)提供了新認(rèn)識和理論支撐。同時(shí)借助島津成像質(zhì)譜顯微鏡iMScope，可在腫瘤組織內(nèi)部原位清晰展現(xiàn)出包括磷脂酰膽堿(PC)、磷脂酰乙醇胺 (PE)、磷脂酰肌醇(PI)類脂質(zhì)等多種成分均發(fā)生了明顯變化。通過空間可視化成像技術(shù)，不僅可實(shí)現(xiàn)在分子水平上對純納米粒子和納米蛋白冠的生物毒理學(xué)效應(yīng)進(jìn)行有效研究，同時(shí)也為未來對更多種類的納米搭載生物診療試劑和材料的毒理學(xué)和安全性評價(jià)提供更為直觀有力的研究手段。
參考文獻(xiàn)：
[1] Cao M. et al. Molybdenum Derived from Nanomaterials Incorporates into Molybdenum Enzymes and Affects Their Activities in vivo. Nature Nanotechnology, 2021, 16: 708-716.