原子力显微镜以亚分子分辨率揭示微管缺陷

在最近发表在《纳米快报》杂志上的一项研究中，日本金泽大学纳米生命科学研究所（WPI NanoLSI）的研究人员使用调频原子力显微镜揭示了微管（MT）内表面的亚分子结构，并可视化了MT晶格中的结构缺陷，为调节微管功能的复杂动态过程提供了有价值的见解

X射线晶体学和冷冻电子显微镜等传统方法为MT提供了结构见解，但涉及复杂的样品制备和数据分析。仍然需要能够在生理条件下以亚分子分辨率检查MT结构特征、组装动力学和晶格缺陷的技术

MT壁的外表面已被广泛研究。然而，有限的研究考察了微管蛋白二聚体在MT内壁的亚分子排列。MT的外壁和内壁与不同的蛋白质相互作用

为了解决这一差距，金泽大学纳米生命科学研究所（WPI NanoLSI）的Ayhan Yurtsever、Hitoshi Asakawa和Takeshi Fukuma领导的一个科学家团队利用频率调制原子力显微镜（FM-AFM）研究了微管蛋白二聚体在MT内外表面的亚分子排列（见图1）。MT内表面呈现波纹结构，而外表面呈现浅波纹（见图2）

一个原丝的形貌高于其相邻的原丝。这种差异形貌是由相邻原丝之间αβ-微管蛋白异二聚体的结构取向和构象差异引起的。内表面原丝的α-微管蛋白和β-微管蛋白单体在从管状到片状的结构转变过程中重新取向

内表面也有一条“接缝”线，这被认为赋予了MT灵活性。FM-AFM能够检测到局部区域MT晶格轴中原丝缺失的微管蛋白亚基引起的几个晶格或结构缺陷。这些缺陷会改变原丝的分子排列，从而损害MT的功能。

该研究还探讨了MT与紫杉醇的相互作用，紫杉醇是一种化疗药物，专门与MT内表面αβ-微管蛋白二聚体中的β-微管素亚基结合。紫杉醇稳定的微管抑制癌症细胞分裂和迁移，从而可能减缓癌症的进展

这种结合在高分辨率AFM图像中作为区分单个α-和β-微管蛋白亚基的标记。这一见解强调了FM-AFM在研究靶向MT的药物分子机制方面的潜力。

总之，FM-AFM为MT结构、动力学和药物相互作用提供了关键的见解，揭示了推进药物发现的潜力。了解MT功能和蛋白质相互作用可以指导开发更特异和有效的治疗方法，特别是对于癌症，MT是关键的治疗靶点 More information: Ayhan Yurtsever et al, Visualizing the Submolecular Organization of αβ-Tubulin Subunits on the Microtubule Inner Surface Using Atomic Force Microscopy, Nano Letters (2024). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c04294

Journal information: Nano Letters