单分子荧光技术在端粒和端粒酶研究中的应用

端粒酶是一种逆转录酶,能够维持端粒的长度和活性,从而防止染色体末端降解或融合,维持染色体稳定。大多数正常体细胞中端粒酶活性被抑制,端粒长度随着细胞持续分裂逐渐缩短;而在大多数癌细胞中端粒酶都表现出活性,端粒的长度和结构得以维持,癌细胞永生化。由此可见端粒酶是一种重要的癌症标志物,可作为癌症诊断依据和治疗靶点。然而,端粒酶结构复杂且数量少,难以从微量全酶复合物中分离出足量端粒酶用于分析,这为传统方法研究端粒酶带来极大困难。随着单分子荧光技术的发展,荧光共振能量转移、荧光双色同步响应等技术已被应用于端粒酶的研究,打破了传统方法检测端粒酶的各种局限。本文主要综述了单分子荧光技术的发展,端粒、端粒酶与癌症及其研究进展,并对单分子荧光技术在端粒酶研究中的应用及其发展趋势进行了总结和展望。

荧光单分子检测技术在生命科学中的应用

荧光单分子检测技术是用荧光标记来显示和追踪单个分子的构象变化、动力学,单分子之间的相互作用以及单分子操纵的研究。过去对于生命科学分子机制的研究,都是对分子群体进行研究,然后平均化来进行单分子估测。因此,单个分子的动态性和独立性也被平均化掉而无法表现出来。荧光单分子检测技术真正实现了对单个分子的实时观测,将过去被平均化并隐藏在群体测量中不能获得的信息显示出来。近几年来,荧光单分子检测技术的飞速发展,为生命科学的发展,开辟了全新的研究领域。现就荧光单分子检测技术在研究动力蛋白、DNA转录、酶反应、蛋白质动态性和细胞信号转导方面的应用进展作一综述。

基于单分子成像技术研究λ-DNA分子穿越微米通道端口的电动力学特性

操控单个DNA分子,将其有效引入、导出微纳通道是实现DNA生物芯片功能的前提条件.本文利用单分子荧光显微成像技术系统地实时观察分析λ-DNA单分子在电场力驱动下进入/穿出50μm通道端口处的电动力学特性及规律.研究发现:λ-DNA分子能够顺利进入trans端口并穿出cis端口,外加电场强度存在最大(Emax)和最小(Emin)阈值,只有场强E满足:Emin≤E≤Emax时, λ-DNA分子才能进入trans端口并顺利穿出cis端口;当电场强度小于最小阈值场强时, DNA分子不能进入trans端口;当电场强度大于最大阈值场强时, λ-DNA分子虽可能从trans端口进入通道内部,但不容易从cis端口穿出,而是在迁移至通道内cis端口附近时,运动方向反转、往复、甚至旋转等新现象,并且易于粘附到管壁上;随着场强增大,反转位置距cis端口越大.基于微流体电动力学理论,对λ-DNA分子在微通道端口的不同运动状态的物理机制进行了初步分析.本研究结果对研制基于微纳通道系统的基因芯片实验室及DNA分子传感器具有一定的实际指导意义.

单分子尺度下的免疫调控和干预策略

癌症免疫疗法通过提高患者自身免疫力来识别和杀伤肿瘤目标,涉及到免疫T细胞和其他细胞之间(肿瘤或抗原呈递细胞)的直接相互作用。受周围微观环境热涨落的影响,精准探测这种力学信号是免疫疗法面临的重要挑战。单分子技术具备高时空分辨的优势,能够克服环境热涨落的影响,通过实时测量单个生物大分子的时空位置、结构转变、能量交换和信息流动等定量参数来刻画生物大分子的动力学行为。将单分子技术应用到免疫疗法相关的研究中,精准测量免疫疗法涉及的受体—配体的力学相互作用和自身动态结构,将为免疫疗法的发展提供单分子尺度的思考和见解,实现物理学和免疫学的交叉融合发展。

tBid蛋白引发磷脂膜透化过程的研究

Bid蛋白是仅有BH3结构域的Bcl-2家族蛋白,在溶酶体膜透化以及线粒体外膜透化引发的细胞凋亡过程中起着非常重要的调控作用,但是Bid蛋白与生物膜之间的相互作用导致脂膜透化的确切机制尚不十分清楚.本文利用激光扫描共聚焦显微成像技术及基于氧化石墨烯表面诱导荧光衰逝的单分子荧光技术,分别从单囊泡及单分子水平对tBid蛋白与磷脂膜之间的相互作用进行了系统的研究.结果表明,tBid蛋白在膜上聚集后可引起脂膜的透化,且脂膜透化的发生源于聚集体中一些tBid蛋白更深入地插入了脂膜中.